[論文レビュー] Gamma-ray sources as relics of recent supernovae in the nearby Gould Belt

I. A. Grenier|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 11

ひとこと要約

EGRETが検出した未解明の中緯度γ線源は、近くの30–40 Myrの年齢のゴールドベルトにおける超新星の痕跡である。特に、γ線放射が主ビームからずれた2–3 Myrの若いパルサーがその原因である。ゴールドベルトにおける75–95 Myr⁻¹ kpc⁻²の高まる超新星発生率が、傾いた構造と相関する40 ± 5個の源の検出を説明する。近距離（≤350 pc）での高い検出確率と、オフビーム放射が観測された集団を説明する。

ABSTRACT

The nearby, 30 to 40 Myr old, starburst region of the Gould Belt has formed numerous massive stars. Within its 300 pc radius, it produces core-collapse supernovae at an enhanced rate which is shown to be 75 to 95 Myr{-1} kpc{-2}, i.e. 3 to 5 times higher than the local Galactic rate, over the past and future few million years. A population of persistent, but unidentified, gamma-ray sources has been recently singled out at medium latitudes above 100 MeV. Their distribution across the sky is shown to be quite significantly and better correlated with the tilted Gould Belt than with other Galactic structures. As many as 40 +- 5 sources are statistically associated with the Belt at |b|> 5 deg. It is therefore proposed that these sources are part of the Belt and are relics of the Belt supernovae in the form of million-year old pulsars. Their presence stresses how active the local medium is, heated, enriched and shaped by multiple recent explosions.

研究の動機と目的

• EGRETが|b| > 2.5°で検出した67個の持続的で未解明のγ線源の起源を説明すること。これらの源は銀河平面の源よりもスペクトルが軟らかく、弱い。
• 標準的なビームモデルに基づく予想される銀河パルサー数と高緯度γ線源数の不一致を解消すること。
• ゴールドベルトにおける高まる超新星発生率が、観測された源集団と空間的分布を説明できるかどうかを検証すること。
• 特に低放射度で年老いたパルサーからのオフビームまたはワイドビームγ線放射の検出可能性を評価すること。
• これらの源のスペクトルの軟らかさと空間的クラスタリングが、傾いたゴールドベルト構造内に位置するパルサー起源と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 機器の露出関数とバックグラウンドバイアスを補正した最大尤度法を用いて、EGRET源の分布とゴールドベルトその他の銀河的構造との空間相関を検証した。
• 初期質量関数（IMF）を用いてゴールドベルトの超新星発生率を計算した。IMFの指数Γ = -2.0から-1.1、太陽金属量モデル、観測された大質量星の数（M > 8 M⊙）を用いた。
• 外側ギャップおよびコンプトン化された極域パルサー放射モデルを用い、ビーム効率ΔΩ/4πとパルサー年齢依存性を組み合わせて、検出可能なγ線パルサー数を推定した。
• 既知のパルサー（例：Geminga）のスケーリング則を用い、スピンダウンパワーの4桁の範囲でLγ ∝ Ė^{1/2}を外挿し、3 Myrでの検出可能性を推定した。
• 特に350 pc以内の近距離パルサーにおいて、オフビーム放射（例：側 lobes）が検出確率を高める役割を評価した。
• シミュレーションを用いて、パルサーのキック速度と移動を考慮しても、2 Myrの期間にわたり傾いたゴールドベルトの空間的特徴が保持されるかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ|b| > 5°の高緯度に40 ± 5個の持続的で未解明のγ線源が存在し、銀河平面と関連しないのか？
• RQ2 75–95 Myr⁻¹ kpc⁻²の高まる超新星発生率を持つゴールドベルトが、観測された数と空間的分布を説明できるか？
• RQ3 これらの高緯度源の平均スペクトル指数（Γ = 2.25 ± 0.03）が、銀河平面のオンビームパルサー（Γ = 1.74 ± 0.02）よりも顕著に軟らかいのはなぜか？
• RQ4 2–3 Myrの若いパルサーからのオフビームまたはワイドビームγ線放射が、近接性と低放射度を考慮して、高い検出率を説明できるか？
• RQ5 機器的およびバックグラウンドバイアスを補正した後、これらの源が傾いたゴールドベルト構造と空間的相関を示すのは統計的に有意か？

主な発見

• ゴールドベルトの超新星発生率は75–95 Myr⁻¹ kpc⁻²であり、局所銀河平均の3–5倍高い。これは30–40 Myrの星形成バーストに起因し、432 ± 15個の巨大星（M > 8 M⊙）を含む。
• |b| > 5°で40 ± 5個のγ線源がゴールドベルトと統計的に関連しており、他の銀河的構造よりも強い空間的相関を示す。
• 高緯度源の軟らかなスペクトル指数（Γ = 2.25 ± 0.03）は、若いパルサーからのオフビームまたはワイドビーム放射と整合するが、平面内のオンビームパルサー（Γ = 1.74 ± 0.02）とは対照的である。
• Geminga（3 Myr、Lγ ≈ 6 × 10²⁵ W）からの外挿により、3 MyrのパルサーでĖ ≈ 10²⁷ Wのものも、EGRETで350 pcまでの距離で検出可能であると示唆され、検出確率が向上する。
• シミュレーションにより、オフビーム放射（例：極域パルサーモデル由来）が検出可能な源数を4–5倍に増加させうる。これは、より高いパルサー誕生率を仮定しなくても、多数の源が観測されるのを説明できる。
• パルサーのキック速度を考慮しても、少なくとも2 Myrの期間にわたり、傾いたゴールドベルトの空間的特徴が保持される。これは、これらの源がゴールドベルト内での最新の超新星の痕跡であるという仮説を支持する。