[論文レビュー] Discovery of very-high-energy gamma-ray emission from the vicinity of PSR J1831-952 with H.E.S.S

F. Sheidaei, A. Djannati-Ataı̈+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

H.E.S.S. コラボレーションは、67 ms パulsar PSR J1831-0952 と空間的に一致する拡張型の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線源 HESS J1831-098 の発見を報告している。この源は、1 TeV 以上で 2.1 の光子指数と 1.1×10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹ の放射束で、パワーロウ法則スペクトルを示しており、パルサーの回転減速エネルギーで約1%の効率で駆動されるパルサー風ネビュラ（PWN）と整合的であるが、他の波長域では対応する対象が検出されていない。

ABSTRACT

We report on the latest discovery of an extended Very High Energy (VHE) gamma-ray source near the 67 ms pulsar PSR J1831-0952 during the H.E.S.S. Galactic Plane Survey (GPS). The dispersion measure distance of the pulsar (4.3 kpc) would imply that less than 1% of its spin-down energy is required to provide the observed VHE luminosity of the source. No other plausible counterparts have yet been found through preliminary multi- wavelength searches. The most likely scenario is that the VHE emission originates from the -yet unseen at other wavelengths-wind nebula of PSR J1831-0952. If so this would constitute another case of a gamma-ray discovered pulsar wind nebula.

研究の動機と目的

• H.E.S.S. ギャラクティックプレーンサーベイで観測された、PSR J1831-0952 の近くの拡張型VHEガンマ線源 HESS J1831-098 の起源を特定すること。
• VHE放射がパルサー風ネビュラ（PWN）か、超新星残骸（SNR）などの他の天体的対象と関連しているかどうかを特定すること。
• 既知のVHE PWN候補と比較して、空間的オフセット、放射度、スペクトル的性質をもとに、PWN起源の可能性を評価すること。
• 高エネルギーのカットオフと低磁場強度が、系の年齢およびパルサーの運動論的性質に与える意味を評価すること。
• 他の波長域で検出可能な対応対象が存在しないことから、ガンマ線で発見されたPWNである可能性を調査すること。

提案手法

• 2004年から2009年までに取得されたH.E.S.S. 4台のイメージング大気チェレンコフ望遠鏡アレイからの40時間の有効時間データを用い、標準的なデータ品質カットを適用した。
• 多変量解析手法とリングバックグラウンド法を用いて、宇宙線バックグラウンドを抑制し、80 p.e. の画像サイズ閾値を設定した天の川マップを作成した。
• 最良の源位置を中心とする0.3°半径領域に対してフォワードフォールディングスペクトル解析を実施し、微分エネルギースペクトルを抽出した。
• 反射領域法を用いてバックグラウンドを推定し、過剰マップに対して2次元ガウスフィット（対称および非対称）を適用して源の形態を特定した。
• X線（Chandra、XMM-Newton）、Fermi-LAT（33か月分の公表データ）、分散測定距離（4.3 kpc）を用いた多波長クロス識別を実施し、対応対象を評価した。
• PWNにおける逆コンプトン散乱によるVHE放射と観測値との整合性を評価するため、予測された放射束とスペクトル指数を観測値およびFermiの上限と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張型VHEガンマ線放射 HESS J1831-098 は、PSR J1831-0952 と空間的に関連しているか？そのオフセットの有意性は？
• RQ2 HESS J1831-098 のエネルギー分布スペクトルは何か？高エネルギーのカットオフやカーブの兆候は見られるか？
• RQ3 観測されたVHE放射度は、PSR J1831-0952 の回転減速エネルギーで駆動されるパルサー風ネビュラ（PWN）によって説明可能か？必要な効率はどれくらいか？
• RQ4 X線やGeVエネルギー帯で対応対象が検出されないのはなぜか？これはガンマ線で発見されたPWNである可能性を示唆するか？
• RQ5 源の形態とエネルギーのカットオフが、系の年齢、磁場強度、パルサーの固有運動に与える意味は何か？

主な発見

• HESS J1831-098 は、事前試行の有意性が 7.9σ、試行補正後の有意性が 5.8σ の拡張型VHEガンマ線放射を示しており、中心位置は α = 18h31m25s、δ = -9°54′ である。
• 源の投影角サイズは σ ≈ 0.15° であり、パルサー距離 4.3 kpc における物理的スケールは約 20 pc に相当する。
• 微分エネルギースペクトルは、光子指数 Γ = 2.1 ± 0.1 のパワーロウ法則に従い、30 TeV まで延びており、顕著なカットオフは観測されない。
• 1 TeV 以上のエネルギーで観測された放射束は (1.1 ± 0.1) × 10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹ であり、同じエネルギー範囲で比較すると、カブレットネビュラの約4%に相当する。
• パルサーの回転減速エネルギーでVHE放射を駆動するのに必要な効率は約1%であり、既知のVHE PWN候補（例：HESS J1420-609 や HESS J1809-193）と整合的である。
• Fermi-LAT データでは、30 GeV 以上の有意なGeV放射は観測されなかったが、上限はH.E.S.S. の外挿された放射束よりも高いため、GeV対応対象が存在する可能性は残っている。