[논문 리뷰] VERITAS Observations of Magnetars

R. Guénette|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 05.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

VERITAS는 자기장 붕괴로 인한 비열적 테바르 에너지 방사선 방출 예측을 검증하기 위해 침잠 상태인 두 개의 매그네타르 4U 0142+61과 1E 2259+586에 대해 고에너지 감마선 관측을 수행하였다. 유의미한 방출은 관측되지 않았으며, 각각 400 GeV 이상에서 크랩 nebulae 방출량의 0.9%와 2.5% 이내의 99% 신뢰수준 상한선을 설정하여, 폭발 기간 동안 핵반응 또는 전자기 캐스케이드에 의한 테바르 에너지 방출 모델을 제약하였다.

ABSTRACT

Magnetars are rotating neutron stars with extremely strong magnetic fields (~ 10^14-10^15 G). X-ray and soft gamma-ray observations have revealed the existence of non-thermal particle populations which may suggest emission of very high energy photons. VERITAS, an array of four 12m imaging atmospheric Cherenkov telescopes, is designed to observe gamma-ray emission between 100 GeV and 30 TeV. Here we present the results of VERITAS observations of two magnetars, 4U 0142+61 and 1E 2259+586.

연구 동기 및 목표

• 자기장 붕괴로 인한 안정적인 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출 예측을 검증하기 위해.
• X선 플레어가 활성화되지 않은 침잠 상태에서 VHE 방출을 탐색하여 향후 급격한 변화 관측 시의 기초 자료를 확보하기 위해.
• 거대한 X선 플레어 기간 동안 핵반응 또는 전자기 캐스케이드에 의해 테바르 에너지 방출이 예측되는 모델을 제약하기 위해.
• 향후 발생할 수 있는 폭발 유도 VHE 방출과의 비교를 위한 방출량 상한선을 설정하기 위해.
• 이미징 대기 찰렌코프 망원경(예: VERITAS)을 사용한 매그네타르 VHE 방출 탐지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• VERITAS는 네 대의 12미터 이미징 대기 찰렌코프 망원경으로 구성된 진열로, 100 GeV에서 30 TeV 사이의 에너지 범위에서 두 매그네타르를 관측하였다.
• 어두운 시간과 낮달이 없는 조건에서 관측을 수행하였으며, 1E 2259+586의 경우 0.5° 이격된 위치에서 워블 모드를, 4U 0142+61의 경우 정점 향상 모드를 사용하였다.
• 데이터 선택에 품질 컷을 적용하였으며, 이미지당 최소 500개의 디지털 카운트, 중심 이미지 중심이 1.5° 이내, 이미지 형태 제약(감소된 너비/길이가 -1.2에서 0.5 사이)을 요구하였다.
• 배경 추정에 '링 배경' 모델을 사용하였으며, 유의미성은 Li와 Ma 방법(식 17)을 통해 계산하였다.
• 에너지 스펙트럼이 -2.5의 지수를 가진 파wr-법 스펙트럼일 경우를 가정하여, 크랩 성운 방출량 단위로 표현된 방출량 상한선을 헬렌 방법을 통해 계산하였다.
• 에너지 임계값은 400 GeV 이상으로 설정하였으며, 상한선는 99% 신뢰수준에서 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장 붕괴로 인한 안정적인 VHE 감마선 방출이 매그네타르에서 침잠 상태에 존재할 때 탐지 가능한가, 일부 비열적 방출 모델이 예측한 바와 같이?
• RQ2 매우 큰 X선 폭발 기간 동안 VERITAS는 전자기 또는 핵반응 상호작용 모델이 예측한 바와 같이 매그네타르에서 테바르 에너지 방출을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 지수 -2.5의 파워-법 스펙트럼을 가정할 경우, 매그네타르의 VHE 방출에 대한 방출량 상한선는 무엇인가?
• RQ4 관측된 상한선는 매그네타르 방출 메커니즘에 대한 이론 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 중심 매그네타르 1E 2259+586를 가진 초신성 잔해 물질 CTB 109에서 점원천 VHE 방출을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 4U 0142+61에서 유의미한 감마선 방출은 관측되지 않았으며, 400 GeV 이상에서 99% 신뢰수준 상한선은 8.68 × 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹이었으며, 이는 크랩 성운 방출량의 0.9%에 해당한다.
• 1E 2259+586의 경우 99% C.L. 방출량 상한선는 400 GeV 이상에서 2.49 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹였으며, 이는 크랩 성운 방출량의 2.5%에 해당한다.
• 4U 0142+61의 온소스 이벤트 수의 유의미성은 -2.9σ였으며, 배경 이상이 없음을 시사한다.
• 1E 2259+586의 경우 유의미성은 1.5σ였으며, 배경 변동과 일치한다.
• 이 결과들은 X선 플레어 기간 동안 테바르 에너지 방출을 예측하는 모델을 제약하며, 0.3초 동안의 폭발에서 약 100배 크랩 수준의 방출량은 쉽게 탐지 가능할 것이다.
• 상한선는 1E 2259+586의 경우 매그네타르와 그 주변의 초신성 잔해 물질 CTB 109에 모두 적용 가능하며, 소스가 중심에 위치해 있기 때문이다.