[論文レビュー] Advanced search for the extension of unresolved TeV sources with H.E.S.S.: First measurement of the extension of the Crab nebula at TeV energies

M. Holler, D. Berge+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、H.E.S.S.機器応答の時間に依存する高度なシミュレーションを用いて、TeVエネルギー域におけるカブスネビュラの拡張の最初の直接測定を提示する。エネルギーおよび時間に依存するポイントスプレッド関数（PSF）の特徴付けを改善することで、著者らはネビュラの真のサイズを解明し、ガウス幅52.2'' ± 2.9''（統計）± 7.8''（系）の結果を得た。これはX線放射領域よりも顕著に大きく、ネビュラの逆コンプトン成分と整合的であることを確認する。

ABSTRACT

The resolution power of current Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes is presently restricted to scales of a few arcminutes. In the very high-energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray regime, the measurement of source sizes that are comparable to or smaller than the resolution of the instrument is usually limited by statistics and in particular by the uncertainties in the characterisation of the instrument Point Spread Function (PSF). The PSF varies strongly with observation and instrument conditions, demanding time-dependent simulations of these conditions. Employing such simulations, we substantially improve our understanding of the H.E.S.S. PSF and are now able to probe source extensions well below one arcminute scale. We present the results of this new approach applied to known VHE gamma-ray sources and show how this enables us to reveal for the first time the extension of the Crab nebula at TeV gamma-ray energies, with a width of 52 arcsec assuming a Gaussian source shape.

研究の動機と目的

• 従来のPSFの不確実性による制限のため、以前の機器が限界に達していた非常に高エネルギー（VHE；>100 GeV）領域におけるカブスネビュラの真の空間的拡張を測定すること。
• 大気的および機器的条件の変動を考慮した、時間に依存する観測固有のシミュレーションを用いて、標準的なPSFモデルの限界を乗り越えること。
• PKS 2155-304 やMarkarian 421などの他の明るいVHE源を用いて、この手法の妥当性を検証し、PSFモデル化手法の信頼性を示すこと。
• カブスネビュラのTeVガンマ線の拡張と、UVおよびX線波長域でのその形態を比較し、放射領域のエネルギー依存的サイズを理解すること。
• 測定された拡張が、特に電子冷却と磁化度に関する標準的な磁流体力学的モデルと整合的であるかどうかをテストすること。

提案手法

• 2004年から2011年までの間のH.E.S.S.によるカブスネビュラの高品質な観測データを用い、風速、ウッドラビングオフセット、天の赤道角に厳密なカットを適用して、安定した機器状態を保証する。
• 半アナリティカルな空気シャワーテンプレートと、方向再構成不確実性の厳密なカットを用いて、角分解能を向上させ、バックグラウンドを低減する。
• エネルギーのカット（E > 0.7 TeV）を適用して、しきい値に起因する系の不確実性を最小限に抑え、信号対バックグラウンド比（S/B = 58、0.1°以内）を向上させる。
• 観測時における実際の観測条件および機器状態を再現する、ラン単位のモンテカルロシミュレーションを生成し、カブスネビュラスペクトルに一致させるためにエネルギースペクトルの再重み付けを実施する。
• シミュレートされたPSFをベースラインとし、幅が異なる2次元ガウスモデルと畳み込むことで、二乗角距離（ϑ²）空間における観測された過剰イベント分布にフィットする。
• Sherpaを用いた尤度ベースの形態フィットにより、最適な拡張を決定し、統計的および系統的不確実性を、校正、スペクトル形状、解析手法の誤差の伝播によって評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H.E.S.S.機器は、PSFの制限がある中で、TeVエネルギー域におけるカブスネビュラの固有の拡張を解明できるか？
• RQ2 測定されたTeVガンマ線の拡張は、UVおよびX線波長域でのカブスネビュラの形態と比較してどうなるか？
• RQ3 観測された拡張は、電子冷却モデルが予測する逆コンプトン放射成分と整合的であるか？
• RQ4 時間に依存するシミュレーションを用いたPSFモデリング手法は、標準的手法と比較して、源の拡張測定の正確性を著しく向上させるか？
• RQ5 異なる観測条件（例えば、天の赤道角の変動や独立した解析パイプライン）に対しても、結果は頑健であるか？

主な発見

• カブスネビュラのガウス的拡張は52.2'' ± 2.9''（統計）± 7.8''（系統）と測定され、これはそのサイズに対する最初の直接的TeV測定である。
• 測定された拡張は、チャンドラが観測したX線放射領域よりも顕著に大きく、TeV放射はkeV X線を生成する電子よりも低エネルギーの電子に起因していることを示唆する。
• H.E.S.S.による拡張は、光学/UV領域の拡張と整合的であり、光学放射領域の大部分をカバーしている。
• 測定されたサイズは、HEGRAによる以前の上限1.5'よりも顕著に小さく、感度が約3倍向上したことを示している。
• 結果は、異なる天の赤道角領域においても頑健であり、独立した解析手法でも確認されており、その差は系統的不確実性に組み込まれている。
• 観測された拡張は、磁化度パラメータσ ≈ 0.01を仮定したケネルとコロニティの標準的な磁流体力学的モデルと整合的である。