[論文レビュー] Detection of sub-100 GeV gamma-ray pulsations from PSR B1706-44 with H.E.S.S

Marion Spir-Jacob, A. Djannati-Ataı̈+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、H.E.S.S. II CT5望遠鏡を用いたモノスコピック観測による28.3時間の観測を通じて、PSR B1706−44からの100 GeV未満のガンマ線パルス放射を地上で初めて検出しました。パルススペクトルは、約−3.8の急峻な指数を示しており、10 GeV以上の範囲でFermi-LATデータと整合的ですが、統計的精度が不足しているため、スペクトルの湾曲やカットオフ特徴を確認することはできません。

ABSTRACT

We report on the detection of pulsations from PSR B1706-44 based on 28.3 hours of observations with the H.E.S.S. II array with CT5 in monoscopic mode. The lightcurve is similar to that obtained with the Fermi-LAT above 15 GeV and the pulsations exhibit a steep spectrum with index ~ -3.8 in the sub 20 GeV to sub-100 GeV energy range. While a significant signal of ~ 1000 events is detected at energies ~ 70 GeV, it is not possible to either confirm or rule out a power-law behaviour of PSR B1706-44 spectrum in this range.

研究の動機と目的

• 地上のチェレンコフ望遠鏡を用いて、PSR B1706−44の100 GeV未満の高エネルギーガンマ線パルス放射を検出すること。
• 人工衛星ベースのFermi-LATと100 GeV以上の非常に高エネルギー（VHE）機器（例：H.E.S.S.）の間のエネルギーギャップを埋めること。
• 10 GeV以上のエネルギー領域におけるPSR B1706−44のスペクトル形状を調査し、特に湾曲またはカットオフ特徴を示すかどうかを検討すること。
• Fermi-LATや既存のパルサー検出例（例：Vela、Crab）と比較して、パルス光曲線およびスペクトル特性を検証すること。

提案手法

• エネルギー閾値が20 GeV未満のH.E.S.S. II CT5望遠鏡のモノスコピックモード観測を実施。
• モンテカルロシミュレーションと実測データを用いてトレーニングされたブーストドゥーツリー（BDT）を適用し、ガンマ線シャワーと核子背景を区別。
• Fermi-LATとParkesの電波タイミングデータを統合した共同エフェメリスを用いて、位相畳み込み処理を実施（Tempo2パッケージを用いて）。
• 信号の有意性を評価するため、ON/OFF位相をFermi-LATの位相図に基づいて定義し、最大尤度比検定を実施。
• 広範なモンテカルロシミュレーションから得られた機器応答関数（IRFs）を用いて、フォワード畳み込みスペクトル解析を実施。
• エネルギー再構築を+5%のエネルギースケール不確実性で補正。これは電子スペクトルのLAT再キャリブレーションに基づき、以前の+8%から更新されたものである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上のチェレンコフ望遠鏡を用いて、PSR B1706−44からの100 GeV未満のガンマ線パルス放射を検出可能か？
• RQ2 H.E.S.S. II-CT5とFermi-LATの両観測において、10 GeV以上のエネルギー領域におけるPSR B1706−44のスペクトル指数はどのように比較されるか？
• RQ3 現在のデータ品質を踏まえると、20–100 GeVのエネルギー範囲でスペクトル湾曲またはカットオフの兆候が確認できるか？
• RQ4 H.E.S.S. II-CT5が得たパルス光曲線は、15 GeV以上の範囲でFermi-LATが観測した位相ロックされた挙動と一致するか？
• RQ5 2782イベントを記録した54–225 GeVエネルギー領域で観測された2.5σの過剰信号の有意性は何か？

主な発見

• 28.3時間のH.E.S.S. II-CT5モノスコピック観測を通じ、PSR B1706−44からの有意なパルス信号が検出され、これは地上での4例目となるパルサー検出である。
• H.E.S.S. II-CT5が測定したパルススペクトルのパワー則指数は、20 GeVにおけるΓ_HESS = 3.76 ± 0.36（統計誤差）であり、Fermi-LATが10 GeV以上で測定した指数Γ_LAT = 3.9 ± 0.1と整合的である。
• 54–225 GeVのエネルギー領域では2.5σの過剰信号が観測され、2782イベントが記録されたが、エネルギー再構築のバイアスのため、平均エネルギーは62.7 GeV、分散は37 GeVと推定されている。
• H.E.S.S.のスペクトルエネルギー分布（SED）の信頼区間は62.7 GeVを中心に位置し、+5%エネルギースケール補正を含む系統的不確実性を含む。
• 信号対雑音比が低く、統計的データが不足しているため、スペクトル湾曲は検出されず、カットオフや放物線的形状の確認は不可能であった。
• H.E.S.S. II-CT5が得た位相ロック光曲線は、15 GeV以上の範囲でFermi-LATの光曲線と整合的であり、P2が主なピークを占め、VelaおよびCrabパルサーと同様の挙動を示している。