[논문 리뷰] VERITAS Observations of the BL Lac Object PG 1553+113 Between May 2010 and May 2011

M. Orr|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 20.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

VERITAS는 2010년 5월부터 2011년 5월까지 고주파수 피크를 가진 BL Lac 천체 PG 1553+113에 대한 깊은 관측을 수행하여, 이 소스에 대한 가장 높은 신뢰도를 가진 VHE 감마선 탐지 결과인 39σ를 달성하였다. 분석 결과, 적색편이에 대한 상한선 z < 0.5가 95% 신뢰수준에서 도출되었으며, 이는 소스의 거리 제약을 제공하고 외성간 배경 빛(EBL)을 탐사하는 데의 유용성을 높인다.

ABSTRACT

VERITAS, an array of imaging atmospheric-Cherenkov telescopes, studies blazars in the energy range between ~100 GeV and ~30 TeV. With its excellent sensitivity at these energies, and ever-deepening source exposures, VERITAS is in a position to probe distant blazars for clear absorption signatures in their very-high-energy gamma-ray spectra due to interactions with the extragalactic background light (EBL). We discuss results from recent VERITAS observations of PG 1553+113 (z &gt; 0.4) which have resulted in the most significant very-high-energy detection ever obtained for this source. The most recent VERITAS spectral measurements are used to place an upper limit on the source redshift of z &lt; 0.5 at the 95% confidence level. Also discussed are the prospects of using these observations, along with those of other hard- spectrum blazars, to place constraints on the EBL.

연구 동기 및 목표

• VERITAS 관측을 통해 BL Lac 천체 PG 1553+113의 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 스펙트럼을 측정하는 것.
• 이 소스의 적색편이를 제약하기 위해 관측된 VHE 스펙트럼을 활용하는 것. 이는 z > 0.4의 하한선이 존재하나 정확한 값이 불확실한 상황에서 이루어진다.
• 감마선 흡수 효과를 통해 외성간 배경 빛(EBL)을 제약하는 데에 PG 1553+113이 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 낮은 에너지에서의 Fermi-LAT 데이터와 비교하여 VHE 스펙트럼 지수를 분석함으로써, 이 소스가 EBL 연구에 얼마나 적합한지 평가하는 것.

제안 방법

• VERITAS는 2010년 5월부터 2011년 5월까지 0.5°의 소스 오프셋을 가진 움직임 모드 관측을 통해 총 50시간의 실시간 관측을 수행하였다.
• 이미징 대기 체렌코프 망원경 데이터는 매일의 플래셔 런을 사용하여 교정되었으며, 개별 픽셀의 신호 대 잡음 비율에 대한 컷을 적용하여 정제되었다.
• 정제된 이미지에서 힐라스 파라미터를 추출하고, 입체 재구성 기법을 통해 쇼어어의 진행 방향과 코어 위치를 재구성하였다.
• 에너지 재구성을 위해 시간 및 계절에 따라 조정된 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 감마선 에너지를 추정하였다.
• 배경 제거에는 일곱 개의 배경 영역을 사용한 반사 영역 방법을 적용하였으며, Li & Ma (1983)의 테스트 통계량을 사용하여 탐지 유의성을 계산하였다.
• 이론적 EBL 흡수 모델과 관측된 VHE 스펙트럼을 비교함으로써 내재된 스펙트럼 경량화가 ~300 GeV 이상에서 발생하지 않는다고 가정하고, 거기에 힘을 주어 내재 스펙트럼 지수를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VERITAS는 12개월 동안의 관측 기간 동안 PG 1553+113의 매우 높은 에너지 감마선 플럭스와 스펙트럼 지수를 어떻게 측정하였는가?
• RQ2 이 소스의 실제 거리가 불확실한 상황에서 관측된 VHE 스펙트럼을 바탕으로 적색편이에 대한 견고한 상한선를 도출할 수 있는가?
• RQ3 PG 1553+113의 VHE 스펙트럼에서 관측된 스펙트럼 연화 현상이 외성간 배경 빛(EBL)에 의한 흡수로 인한 것인지 어느 정도의 정도로 나타나는가?
• RQ4 기존의 알려진 VHE 블라자들과 비교했을 때, PG 1553+113는 EBL의 강도와 스펙트럼 형태를 제약하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• VERITAS는 PG 1553+113에 대해 39σ의 탐지 유의성을 확보하여, 이 소스에 대한 가장 높은 신뢰도의 VHE 탐지 결과를 기록하였다.
• 시간 평균 VHE 스펙트럼은 175 GeV에서 500 GeV 사이에서 스펙트럼 지수 Γ = 4.41 ± 0.14인 거듭제곱 법칙으로 잘 기술된다.
• 200 GeV 이상의 통합 플럭스는 2010년과 2011년 모두 일관되며 연간 변동성이 없음을 시사한다.
• ~300 GeV 이상에서 내재된 스펙트럼 경량화가 없다는 가정 하에, 95% 신뢰수준에서 PG 1553+113의 적색편이에 대한 상한선 z < 0.5를 도출하였다.
• 기존의 하한선 z > 0.4와 결합하면 적색편이가 0.4 < z < 0.5로 제약되며, 이는 PG 1553+113가 EBL 연구에 있어 최적의 후보자임을 시사한다.
• VERITAS 카탈로그 내에서 EBL 제약에 있어 매우 효과적인 소스로 평가되며, α = 1.8–2.1 × 10⁻³ Mpc⁻¹의 값을 가지며 EBL 강도에 대한 높은 민감도를 보이고 있다.