[논문 리뷰] VERITAS Observations of LS I +61 303 in the Fermi Era

J. Holder|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 한 궤도 주기 동안 고질량 X선 이중성분 별 LS I +61 ∘ 303의 동시에 발생하는 테바(VERITAS) 및 기바(Fermi-LAT) 관측을 처음으로 제시한다. TeV 및 기바 방출 상태 간의 상관관계가 없음을 발견하였으며, 기바 방출은 근점(φ ≈ 0.275)에서 최고에 이르지만, 같은 단계 범위에서는 테바 방출이 감지되지 않아, 이 시스템의 고에너지 방출 메커니즘에 대한 기존 모델에 도전한다.

ABSTRACT

The high-mass X-ray binary system LS I +61 303 is well known as a rare example of a variable Galactic GeV and TeV gamma-ray emitter. Despite years of study, many aspects of the system remain unclear; the nature of the compact object, the particle acceleration mechanisms and the gamma-ray emission and absorption processes can all be modelled in a variety of different scenarios. Here we report on a deep exposure of LS I +61 303 made with the VERITAS array during the 2008-2009 observing season. These are the first TeV observations made with contemporaneous coverage at lower energies by the LAT onboard Fermi, and as such provide a new set of constraints for system models.

연구 동기 및 목표

• 한 궤도 주기 동안 LS I +61 ∘ 303의 기바 및 테바 에너지 대역에서의 동시 다중 파장 행동을 조사하기 위해.
• 동시 관측된 Fermi-LAT 및 VERITAS 데이터를 비교하여 궤도 위상에 따라 변하는 방출 모델의 일관성을 검증하기 위해.
• 기바 및 테바 대역 간의 방출 상관관계 또는 반상관관계를 식별하여 입자 가속 및 감마선 방출 이론 모델을 제약하기 위해.
• 광자-광자 흡수 및 에너지 의존성 손실이 궤도 위상 전반에서 관측된 스펙트럼 변화에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• VERITAS는 2008년 10월~11월 동안 28.6시간에 걸쳐 고고도 관측을 수행하여 궤도 위상 φ = 0.03–0.75를 커버하였다.
• 2009년 1월~2월에 추가로 8.2시간의 관측 캠프를 실시하여 Suzaku X선 관측과 겹치도록 하였으며, 궤도 위상 φ = 0.64–0.91를 커버하였다.
• 표준 VERITAS 도구를 사용하여 데이터를 분석하였으며, 와블 모드 배경 추정 및 링 배경 방법을 통해 소스 영역의 배경를 제거하였다.
• 에너지 임계값은 평균 관측 고도 57°를 기반으로 440 GeV로 설정하였으며, 스펙트럼 분석은 유효 거듭제곱 지수 α = -2.5를 가정하였다.
• 통계적 유의성은 두 개의 독립된 분석 체인을 사용하여 결과를 확인하였으며, 유의수준 95%에서 방출 상한선을 계산하였다.
• 동시 관측된 Fermi-LAT 광도 곡선 데이터를 사용하여 기바 방출 조절이 테바 관측과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LS I +61 ∘ 303의 궤도 주기 전반에서 테바 및 기바 방출 상태 간 상관관계가 있는가?
• RQ2 이전에 관측된 바와 같이 테바 방출이 원점근점에서 최고에 이르는가, 아니면 기바 방출과 반상관관계인가?
• RQ3 광자-광자 흡수 및 에너지 의존성 손실이 궤도 위상 전반에서 관측된 테바 및 기바 방출에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ4 이중성계에서의 허드론 또는 렙톤 방출 모델이 기바 및 테바 방출 간의 관측된 상관관계 부재를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 36.8시간의 병합 관측에서 VERITAS는 3.4σ 초과를 감지하여, 500 GeV 이상의 평균 통합 방출량이 (6.2 ± 2.6) × 10⁻¹³ ph cm⁻² s⁻¹로 나타났다.
• 기본적으로 강력한 기바 방출이 근점(φ ≈ 0.275)에서 최고에 이르지만, φ = 0.0–0.65 단계 범위에서는 유의미한 테바 방출이 감지되지 않았다.
• 기본적으로 기바 방출이 최고에 이르는 근점 기간 동안 테바 방출이 감지되지 않음으로써, 기바 및 테바 방출 상태 간 강한 반상관관계가 있음을 시사한다.
• 원점근점 커버리지의 데이터 갭(φ = 0.72–0.82)으로 인해 이 단계에서 테바 방출의 최고점이 배제되지 않지만, 전체 추세는 상관관계가 없음을 보여준다.
• 관측된 기바 및 테바 방출 간의 반상관관계는 LS I +61 ∘ 303에서 입자 가속 및 감마선 방출 이론 모델에 중요한 제약 조건을 제공한다.
• 결과는 에너지 대역 전반에서 단일 방출 메커니즘을 가정하는 모델을 도전하며, 에너지 의존성 흡수 또는 변동하는 입자 가속 효율을 포함하는 시나리오를 지지한다.