[論文レビュー] Are most of the VHE gamma-ray unidentified sources relic PWNe?

O. Tibolla, M. Vorster+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、特にX線や電波対応物のない低エネルギー対応物のない「ダークソース」として知られる、多数の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線未同定源が、古い進化済みパルサーからの残存パルサー風雲状状態（PWNe）であると提唱する。球状に拡張するPWNe内の電子・陽電子エネルギー分布の時間に依存する新しいモデルを用いて、数個の明るいH.E.S.S.源においてこの仮説に強い支持が得られた。これは、古くから存在するPWNeがX線や電波対応物がなくてもVHE放射を説明できることを示唆し、宇宙線起源および星形成銀河におけるTeV放射の理解に影響を与える。

ABSTRACT

The evolution of Pulsar Wind Nebulae (PWNe) plays a crucial role in interpreting the very high energy (VHE; > 10^11 eV) gamma-ray unidentified sources; and moreover it represents the only viable option to explain the discovery of several "dark sources" in the TeV gamma-ray (i.e. VHE gamma-ray sources without lower energies, radio or X-ray counterparts). The newest time-dependent modeling of PWNe presented in [1] and [2] has to be tested on a broader sample of young well-known PWNe and applied to the full-sample of "dark sources". The consequences of this interpretation go far beyond the interpretation of "dark sources": e.g. there could be strong implication in the origin of cosmic rays and (when considering a leptonic origin of the gamma-ray signal) they can be important for reinterpreting the detection of starburst galaxies in the TeV gamma-ray band.

研究の動機と目的

• 非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線未同定源の大部分、特にX線や電波対応物のない『ダークソース』が、リリックパルサー風雲状態（PWNe）として説明可能かどうかを検証すること。
• 既知のPWNeおよび候補PWNの広範なサンプルに、Pulsar Wind Nebulae（PWNe）の進化を検証する新しい時間に依存するモデルを適用すること。
• モデルが未同定VHE源のスペクトルエネルギー分布（SED）を再現できるかどうかを評価すること、特に低エネルギー対応物が検出されない源を対象とする。
• この解釈が、宇宙線起源および星形成銀河におけるTeVガンマ線放射の理解に与える影響を検討すること。

提案手法

• 本研究では、時間に依存するが空間的に独立した新しいモデルを用いて、球状に拡張するPWNe内の電子・陽電子エネルギー分布の進化を計算する。
• モデルは、H.E.S.S.ギャラクティックプレーン調査に由来する既知のPWNe、PWN候補、および未同定VHE源を含む60個のVHEガンマ線源の完全なサンプルに適用される。
• スペクトルエネルギー分布（SED）のモデル予測を、H.E.S.S. VHEデータ、Fermi-LAT GeVデータ、およびSuzakuおよびXMM-NewtonによるX線上限値を含む多波長データと比較する。
• エネルギー損失は逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射を含み、電子の冷却 timescale が観測されたVHE放射を再現するために重要である。
• 超新星残骸（SNR）シェルや分子雲を伴う源と伴わない源を含め、複雑な環境下でのPWN解釈の堅牢性を検証する。
• フラックススケールの統計的および系統的誤差（最大30％）をSED比較に組み込み、モデルフィットの堅牢性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存するPWNモデルは、X線や電波対応物のない未同定VHEガンマ線源の観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）を的確に再現できるか？
• RQ2 H.E.S.S. J1427-608、H.E.S.S. J1507-622、H.E.S.S. J1616-508といったVHEバンドの『ダークソース』は、進化済みパルサーからのリリックパルサー風雲状態（PWNe）として最も適切に説明できるか？
• RQ3 X線放射が検出されないためにかつてPWN起源とは考えにくかったH.E.S.S. J1702-420やH.E.S.S. J1708-410のSEDは、本モデルで再現可能か？
• RQ4 SNR W30と高回転減衰パルサーを伴う複雑な領域に関連するH.E.S.S. J1804-216のVHE放射は、本モデルで説明可能か？それとも、代わりにハドロン的起源を支持するか？
• RQ5 PWNe内で長寿命に存在する逆コンプトン放射を発する電子の集団が、宇宙線加速および星形成銀河におけるTeV放射の解釈に与える影響は何か？

主な発見

• 時間に依存するPWNモデルは、70 msのパルサーを確認したH.E.S.S. J1837-069のSEDを的確に再現し、この源のPWN起源を支持する。
• X線や電波対応物のない古典的な『ダークソース』であるH.E.S.S. J1616-508のSEDに対してもモデルが適合し、これは古くから存在するPWNである可能性を示唆する。
• X線放射が検出されずかつてPWN起源とは考えにくかったH.E.S.S. J1702-420に対しても、モデルは年老いたPWN起源が妥当であると示唆し、初期のハドロン的解釈に疑問を呈する。
• H.E.S.S. J1804-216のSEDはモデルで再現できず、この源のPWN起源は不適切である可能性を示唆する。これは、ハドロン的プロセスや複雑な環境の影響による可能性がある。
• 本研究では、古くから存在するPWNシナリオが、低エネルギー対応物がなくても多数の『ダークソース』のVHE放射を説明できることを示し、多くの未同定VHE源がリリックPWNであるという仮説を強化する。
• 結果から、リリックPWNがVHEガンマ線の空域を占める重要な割合を占めている可能性があり、宇宙線加速および星形成銀河におけるTeV放射の解釈に影響を与えることが示唆される。