[논문 리뷰] Very high energy emission from the hard spectrum sources HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130

E. O. Angüner, S. Casanova외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 16.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 보이는 세 개의 딱딱한 스펙트럼 H.E.S.S. 천체—HESS J1641-463, HESS J1741-302, HESS J1826-130—를 제시하며, 이들이 수백 테바전자볼트 이론의 초상대론적 우주선을 가속화할 수 있는 페바전자볼트 가속기(PeVatrons)일 가능성이 있음을 시사한다. 분석 결과는 밀도 높은 간성가스를 타겟으로 하는 핵반응 모델을 지지하며, 은하계 내 페바전자볼트 우주선 가속기의 잠재적 집단이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

A recent study of the diffuse $γ$-ray emission in the Central Molecular Zone using very high energy (VHE, E $>$ 0.1 TeV) H.E.S.S. data suggests that the Galactic Center (GC) is the most plausible supplier of Galactic ultra-relativistic cosmic-rays (CRs) up to the knee at about 10$^{15}$ eV (PeV). However, the GC might not be the only source capable to accelerate CRs up to PeV energies in the Galaxy. Here we present H.E.S.S. data analysis results and interpretation of three H.E.S.S. sources, with spectra extending beyond 10 TeV and relatively hard spectral indices compared with the average spectral index of H.E.S.S. sources, namely HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130. Although the nature of these VHE $γ$-ray sources is still open, their spectra suggest that the astrophysical objects producing such emission must be capable of accelerating the parental particle population up to energies of at least several hundreds of TeV. Assuming a hadronic scenario, dense gas regions can provide rich target material for accelerated particles to produce VHE $γ$-ray emission via proton-proton interactions followed by a subsequent $π^{0}$ decay. Thus, detailed investigations of the interstellar medium along the line of sight to all of these sources have been performed by using data from available atomic and molecular hydrogen surveys. The results point out the existence of dense interstellar gas structures coincident with the best fit positions of these sources. One can find possible hadronic models with CRs being accelerated close to the PeV energies to explain the $γ$-ray emission from all of these sources, which opens up the possibility that a population of PeV CR accelerators might be active in the Galaxy.

연구 동기 및 목표

• 10 테바전자볼트를 초과하는 딱딱한 스펙트럼을 보이는 세 개의 미해결된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 천체의 성격을 조사하기 위해.
• 이 천체들이 페바전자볼트 에너지까지 도달하는 초상대론적 우주선의 원천이 될 수 있는지 확인하기 위해.
• 밀도 높은 간성가스가 핵반응을 통해 VHE 감마선을 생성하는 데서 수행하는 역할을 평가하기 위해.
• 관측된 VHE 방출에 대해 경쟁적인 핵반응 및 렙톤 방출 시나리오를 평가하기 위해.
• 이 천체들이 은하계 내 새로운 종류의 페바전자볼트 우주선 가속기(PeVatrons)를 대표할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼 및 형태 재구성에 대해 프론트엔딩 폴딩과 반사 배경 모델을 사용한 H.E.S.S. 1단계 어레이 데이터 분석.
• HESS J1741-302 및 HESS J1826-130에서 감마선-핵입자 분리 향상을 위한 다변량 분석(TMVA) 적용.
• 배경 추정 및 유의미도 계산을 위한 링 배경 모델 사용.
• 선로 상의 밀도 높은 가스 구조를 식별하기 위해 천체 위치와 원자성 및 분자성 수소 조사 결과를 교차 상관 분석.
• 프로톤-프로톤 상호작용 시간과 에너지 예산 추정을 위한 공식 $ t_{pp} = 5.76 \times 10^{15} \times (n_{\text{gas}}/\text{cm}^{-3})^{-1} $ 초 사용.
• 핵반응 및 렙톤 방출 모델 비교 분석, 이는 스펙트럼 지수 약 2.0인 냉각되지 않은 전자에 의한 역방사성 컴프턴 산란 포함 및 약 70 테바전자볼트에서 截단됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HESS J1641-463, HESS J1741-302, HESS J1826-130의 딱딱한 VHE 감마선 스펙트럼은 밀도 높은 간성가스와의 우주선 핵반응에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 핵반응 시나리오에서 관측된 VHE 방출을 설명하기 위해 필요한 에너지 예산과 프로톤 주입 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ3 변동성이 없고 점원형 형태라는 점은 이들이 이원성 또는 펄서 풍 난류(Pulsar Wind Nebula, PWN) 기원과 일치하는가?
• RQ4 고에너지 전자에 의한 역방사성 컴프턴 산란을 포함하는 렙톤 시나리오는, 특히 HESS J1826-130의 경우 관측된 VHE 방출을 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 천체들은 은하중심과는 다를 만한 새로운 종류의 은하계 내 페바전자볼트 우주선 가속기(PeVatrons)를 대표하는가?

주요 결과

• HESS J1641-463, HESS J1741-302, HESS J1826-130는 10 테바전자볼트를 초과하는 VHE 감마선 스펙트럼을 보이며 딱딱한 스펙트럼 지수를 나타내어, 부모 입자가 수백 테바전자볼트 수준까지 가속화되었을 가능성을 시사한다.
• 이 천체들의 위치는 밀도 높은 간성가스 구조와 공간적으로 일치하며, 프로톤-프로톤 상호작용을 통한 핵반응 기원을 지지한다.
• 핵반응에 의한 방출에 필요한 에너지 예산은 HESS J1641-463(11 kpc 거리)에서 $ W_{pp} \sim 10^{48} $ 에르그이며, HESS J1826-130(4 kpc 거리)에서는 $ \sim 10^{47} $ 에르그이며, HESS J1741-302는 가스 밀도에 따라 중간 수준의 값을 가진다.
• HESS J1826-130의 경우, 냉각되지 않은 전자와 약 70 테바전자볼트에서 截단되는 렙톤 시나리오는 딱딱한 스펙트럼을 설명할 수 있으며, 전자 에너지 출력은 7 kpc 거리에서 $ 2 \times 10^{47} $ 에르그이다.
• 유의미한 변동성은 관측되지 않았으며, 낮은 통계량과 높은 흡수로 인해 이원성 또는 펄서 풍 난류(Pulsar Wind Nebula, PWN) 기원을 배제할 수 없다.
• 결과적으로 은하계 내 페바전자볼트 우주선 가속기의 잠재적 집단이 존재할 가능성이 제기되나, 핵반응 및 렙톤 모델 모두 타당성이 있으며, 향후 CTA를 이용한 고해상도 관측이 뚜렷한 차이를 밝혀내기 위해 필요하다.