[논문 리뷰] VHE observations of the gamma-ray binary system LS 5039 with H.E.S.S

C. Mariaud, P. Bordas외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 2006년에서 2015년까지의 H.E.S.S. 1단계 및 2단계 데이터를 사용하여, 감마선 이진계인 LS 5039에서 Fermi-LAT(GeV) 및 H.E.S.S.(TeV) 관측 간의 첫 번째 스펙트럼 겹침을 제시한다. 이는 복사율과 스펙트럼 경도의 궤도 모듈레이션을 확인하며, 열성점에서 TeV 스펙트럼의 경화가 관측되고, 스펙트럼 지수는 Γ = 2.20 ± 0.03로 측정된다. 또한 이러한 시스템에서 처음으로 120 GeV의 에너지 임계값을 확립하여 위성 데이터와 직접 비교할 수 있게 되었다.

ABSTRACT

LS 5039 is a gamma-ray binary system observed in a broad energy range, from radio to TeV energies. The binary system exhibits both flux and spectral modulation as a function of its orbital period. The X-ray and very-high-energy (VHE, E > 100 GeV) gamma-ray fluxes display a maximum/minimum at inferior/superior conjunction, with spectra becoming respectively harder/softer, a behaviour that is completely reversed in the high-energy domain (HE, 0.1 < E < 100 GeV). The HE spectrum cuts off at a few GeV, with a new hard component emerging at E > 10 GeV that is compatible with the low-energy tail of the TeV emission. The low 10 - 100 GeV flux, however, makes the HE and VHE components difficult to reconcile with a scenario including emission from only a single particle population. We report on new observations of LS 5039 conducted with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) telescopes from 2006 to 2015. This new data set enables for an unprecedentedly-deep phase-folded coverage of the source at TeV energies, as well as an extension of the VHE spectral range down to ~120 GeV, which makes LS 5039 the first gamma-ray binary system in which a spectral overlap between satellite and ground-based gamma-ray observatories is obtained.

연구 동기 및 목표

• 8년 기간 기반으로 매우 높은 에너지(VHE, >100 GeV)에서 LS 5039의 장기적 변동성과 스펙트럼 진화를 연구하기 위해.
• 감마선 이진계에서 Fermi-LAT(GeV)와 H.E.S.S.(TeV) 관측 간의 스펙트럼 겹침을 처음으로 달성하기 위해.
• 신규 CT5 단일 타원계 모드를 활용하여 VHE 스펙트럼을 120 GeV까지 특성화함으로써 다파장 방출 모델을 시험하기 위해.
• VHE와 HE 스펙트럼 경도 간의 반비례 관계의 기원을 조사하기 위해, 이는 별도의 방출 영역 또는 입자 집단을 시사한다.

제안 방법

• 104시간의 H.E.S.S. 1단계 데이터(2006–2012)를 사용하여 배경 제거 및 에너지 재구성 향상된 조건에서 단계별 밝기 곡선를 구성하였다.
• 1단계에서는 스테레오 모드에서 링 배경 제거 방법을 적용하였고, 2단계에서는 CT5 단일 타원계 모드에서 반사 배경 방법을 사용하였다.
• H.E.S.S. 1단계 및 2단계 데이터를 통합하여 파wr-라우 지수 모델을 적합함으로써 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 재구성하였으며, 임계 에너지는 약 120 GeV이었다.
• 전체 8년 데이터셋 간 일관성을 확보하기 위해 2006년 이전 데이터를 최신 소프트웨어로 재처리하였다.
• Takata 등(2014)의 Fermi-LAT 스펙트럼 점을 H.E.S.S. 데이터와 교차 매칭하여 GeV-TeV 에너지 범위의 겹침을 가능하게 하였다.
• 근처의 소스 HESS J1825–139를 캘리브레이션 기준으로 사용하여 중요도 지도 및 배경 정규화를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동시 관측된 H.E.S.S.와 Fermi-LAT 데이터를 사용하여 LS 5039의 GeV 및 TeV 에너지 범위에서 일관된 스펙트럼 에너지 분포(SEP)를 구성할 수 있는가?
• RQ2 LS 5039의 VHE 감마선 복사율과 스펙트럼 경도는 궤도 위상에 따라 어떻게 변화하는가? 이 모듈레이션은 8년 동안 안정적인가?
• RQ3 신규 CT5 단일 타원계 모드를 사용하여 LS 5039의 VHE 스펙트럼 분석에서 도달 가능한 최저 에너지 임계값은 얼마인가?
• RQ4 관측된 VHE 및 HE 스펙트럼 행동은 단일 입자 집단 방출 모델과 얼마나 괴리되는가?
• RQ5 관측된 VHE 및 HE 스펙트럼 경도 간의 반비례 관계는 이진 천체 기하학에서 역전자기 및 쌍생성 확률에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• LS 5039의 VHE 감마선 복사율은 강한 궤도 모듈레이션을 보이며, 열성점(INFC)에서 최고치에 도달하고, 궁극점(SUPC)에서 최소치에 도달한다. 이는 8년 간의 관측에서 확인되었다.
• TeV 에너지에서의 스펙트럼 지수는 Γ = 2.20 ± 0.03로 측정되었으며, 이는 H.E.S.S. 1단계 및 2단계 데이터 세트 모두에서 일관되게 유지되었다.
• H.E.S.S. 2단계 분석은 약 120 GeV의 스펙트럼 에너지 임계값을 달성하여, 감마선 이진계에서 처음으로 Fermi-LAT 관측과 직접적인 스펙트럼 겹침을 가능하게 하였다.
• H.E.S.S. 2단계 스펙트럼은 오차 범위 내에서 Fermi-LAT가 측정한 약 100 GeV의 복사율과 호환되며, 기기 간 일관성을 확인하였다.
• 관측된 VHE 및 HE 스펙트럼 경도 간의 반비례 관계—열성점에서 TeV 에너지에서 더 경화되고, HE에서 더 부드러운 경향—은 단일 입자 집단 모델과 조화를 이룰 수 없다.
• 경화된 TeV 성분과 몇 GeV에서의 HE 스펙트럼 절단은 복수의 방출 성분 또는 별도의 입자 집단 존재를 시사한다.