[論文レビュー] HAWC Observation of Supernova Remnants and Pulsar Wind Nebulae

C. M. Hui, H. Zhou|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、部分的に完成したHAWCアレイ（HAWC-111）のデータを用いて、北銀河平面における最初のTeVガンマ線源のHAWC調査を提示する。11件の源候補の拡張的検出を報告し、そのうち5件は非常に有意な検出であり、既知のパルサー風線源（PWN）および未解明源と強い空間的一致を示しており、HAWCが10 TeV以上のエネルギー範囲で拡張的TeV源に感度を示すことを確認するとともに、銀河的TeV源の形態的およびスペクトル的分析における能力を示している。

ABSTRACT

The majority of Galactic TeV gamma-ray sources are pulsar wind nebulae (PWNe) and supernova remnants (SNRs), and the most common association for unidentified sources is PWN. Many of these sources were discovered in TeV by imaging air Cherenkov telescopes using overlapping pointed observations over sections of the Galactic plane. The HAWC observatory is a survey type instrument in the Northern hemisphere with an energy range of 100 GeV to 100 TeV. Preliminary analysis of data recorded with the partially completed HAWC array taken since 2013 shows extended detections that are coincident with known TeV SNRs and PWNe. The full array became operational in early 2015 and has been steadily surveying the Northern sky since. I will discuss detections in HAWC data taken since 2013 associated with PWNe and SNRs.

研究の動機と目的

• High Altitude Water Cherenkov（HAWC）観測所を用いて、北銀河平面におけるTeVガンマ線源の予備的調査を実施すること。
• 部分的に設置されたHAWCアレイのデータを用いて、特にパルサー風線源（PWNe）および超新星残骸（SNRs）を含む拡張的TeV源を同定・特徴付けること。
• 形態的およびスペクトル的解析を通じて、HAWC-111がレプトン的（PWN）およびハドロン的（SNR）ガンマ線放射メカニズムを検出・区別する能力を評価すること。
• 未解明TeV源の多波長連関に貢献するため、HAWCが拡張源を解像可能である初期の証拠を提供すること。
• 将来的な多エネルギー研究のための共同Fermi-LATおよびHAWC解析の基盤を築くために、尤度フレームワークを用いて源候補をモデル化すること。

提案手法

• HAWCアレイの1/3（HAWC-111）が280日間収集したデータを用い、95％以上の稼働率で2 srの視野を有する。
• シャワー核の再構築と、核から40 m以上離れた位置での最大電荷を用いたガンマ-ハドロン分離を実施し、カブレネブラで最適化した。
• バックグラウンド推定に直接積分法を適用し、有意性はLi & Maの公式（式17）を用いて計算した。
• カブレネブラのデータから導出された二重ガウス点拡散関数を用いて、スカイマップを平滑化し、源検出感度を向上させた。
• 尤度最大化解析を用いて源候補をモデル化し、スペクトル指数2.3を仮定し、テスト統計量（TS）の変化を用いて有意性を検証した。
• 反復的源追加法を用いて領域をモデル化し、TSの改善量が15（≒3σ）未満に低下した時点で停止させ、統計的信頼性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWC-111アレイは、既知のパルサー風線源や超新星残骸を解像可能な十分な感度で、銀河平面における拡張的TeVガンマ線源を検出できるか？
• RQ2 HAWC-111の検出結果の形態的およびスペクトル的特徴は、H.E.S.S.、MAGIC、ARGO-YBJが得た既知のTeV源とどのように比較できるか？
• RQ3 複数のPWN候補が近接して重なっている場合、例えばHESS J1857+026およびHESS J1858+020周辺において、HAWCはどれほど空間的解像度を発揮できるか？
• RQ4 最も顕著な源候補の有意性と放射度は何か？特にカブレネブラの測定値と比較するとどうなるか？
• RQ5 HAWC-111のデータは、将来的なFermi-LATとの共同解析を支援できるか？具体的には、信頼性の高い源モデルとスペクトル指数を提供できるか？

主な発見

• カブレネブラはHAWC-111データセットで24σ以上の有意性で検出され、5 TeVにおける放射度は(4.62 ± 0.23) × 10⁻¹³ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹であり、過去の測定値と15％以内で一致した。
• 内銀河平面（15° < l < 50°, |b| < 4°）で合計11件の源候補が同定され、そのうち5件は事前有意性が5.7σを超えていた。
• 1HWC J1857+023（α = 284.3° ± 0.2°, δ = 2.3° ± 0.2°）は7.1σの有意性で検出され、PWN候補であるHESS J1857+026およびHESS J1858+020と空間的一致を示した。
• 1HWC J1825-133（α = 276.3° ± 0.1°, δ = -13.3° ± 0.2°）は6.4σの有意性を示し、既知のPWNであるHESS J1825-137から0.5°離れて位置していた。
• 1HWC J1838-060（α = 279.6° ± 0.3°, δ = -6.0° ± 0.2°）は7.0σの有意性で検出され、HESS J1837-069およびHESS J1841-055の間に位置し、ARGO-YBJが事前に5.3σの過剰を報告していた。
• 1HWC J1844-031（α = 281.0° ± 0.2°, δ = -3.1° ± 0.2°）は5.8σの有意性で検出され、未解明源であるHESS J1843-033と空間的一致を示し、PWNであるHESS J1846-029へと延長していた。