[論文レビュー] Evidence of X-ray Synchrotron Emission from Electrons Accelerated to 40 TeV in the Supernova Remnant Cassiopeia A

G. E. Allen, J. W. Keohane+10 more|CERN Bulletin|Jul 9, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ロッシX線時域探索機器からの観測結果を提示し、超新星残骸カシオペアAが少なくとも120 keVまで延びる高エネルギーX線尾を発していることを示している。この尾は、40 TeVに加速された電子によるシンクロトロン放射によって最もよく説明される。破綻したパワーロー spectrum（光子指数1.8と3.04、破綻エネルギー15.9 keV）は、超新星残骸が銀河系宇宙線の主要な源であるという仮説を支持する。

ABSTRACT

We present the 2-60 keV spectrum of the supernova remnant Cassiopeia A measured using the Proportional Counter Array and the High Energy X-ray Timing Experiment on the Rossi X-ray Timing Explorer satellite. In addition to the previously reported strong emission-line features produced by thermal plasmas, the broad-band spectrum has a high-energy "tail" that extends to energies at least as high as 120 keV. This tail may be described by a broken power law that has photon indices of 1.8 +0.5/-0.6 and 3.04 +0.15/-0.13 and a break energy of 15.9 +0.3/-0.4 keV. We argue that the high-energy component, which dominates the spectrum above about 10 keV, is produced by synchrotron radiation from electrons that have energies up to at least 40 TeV. This conclusion supports the hypothesis that Galactic cosmic rays are accelerated predominantly in supernova remnants.

研究の動機と目的

• カシオペアAの高エネルギーX線スペクトルが熱放射ラインを超えてどのように振る舞うかを調査すること。
• 120 keVまで延びる高エネルギースペクトル尾の起源を特定すること。
• 非熱的放射が相対論的電子によるシンクロトロン放射によって説明可能かどうかを検証すること。
• 超新星残骸における宇宙線加速のメカニズムに及ぼす影響を評価すること。
• 残骸の衝撃波領域における電子エネルギー分布および磁場強度を制約すること。

提案手法

• ロッシX線時域探索機器に搭載された比例計数器アレイおよび高エネルギーX線時域実験装置が収集した2–60 keVのX線データの分析。
• 高エネルギー尾をモデル化するために、広帯域スペクトルに破綻したパワーローをフィットすること。
• 磁場中を運動する相対論的電子からのシンクロトロン放射として放射をモデル化すること。
• スペクトル指数と破綻エネルギーを用いて、電子エネルギー分布および最小電子エネルギー40 TeVを推定すること。
• 観測されたX線スペクトルと相対論的電子の理論的シンクロトロン放射モデルを比較すること。
• 超新星残骸における宇宙線加速モデルとの整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 keVを超えるカシオペアAにおける高エネルギーX線尾の起源は何か？
• RQ2 観測されたX線スペクトルは、相対論的電子によるシンクロトロン放射によって説明可能か？
• RQ3 120 keVでの観測されたX線放射を生成するのに必要な最小電子エネルギーは何か？
• RQ4 スペクトル形状は、超新星残骸が電子をTeVエネルギーに加速しているという仮説を支持するか？
• RQ5 この放射は、銀河系宇宙線の起源にどのような意味を持つのか？

主な発見

• カシオペアAのX線スペクトルは、少なくとも120 keVまで延びる高エネルギー尾を示している。
• 高エネルギー成分は、光子指数1.8 +0.5/-0.6および3.04 +0.15/-0.13、破綻エネルギー15.9 +0.3/-0.4 keVの破綻したパワーローで最もよく記述される。
• スペクトル形状は、40 TeVまでのエネルギーを持つ電子によるシンクロトロン放射と整合する。
• 非熱的成分は、おおよそ10 keVを超える領域でスペクトルを支配している。
• 観測された放射は、超新星残骸が電子を超相対論的エネルギーに加速できることを強く示唆する。
• これらの発見は、長年にわたり提唱されてきた仮説、すなわち超新星残骸が銀河系宇宙線の主な源であるという仮説を支持する。