[論文レビュー] High Energy Gamma-Ray Emission from the Loop I region

J. M. Casandjian, I. A. Grenier|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 20

ひとこと要約

本研究は、300 MeV以上のFermi-LATデータを用いて、ループI領域における高エネルギーγ線放射を分析し、北天極スパイク方向に顕著な過剰放射を同定した。弧を描くようなγ線構造は、同期放射の分布と一致しており、星風および超新星によって駆動されるスーパーバブル環境における宇宙線加速を示唆している。

ABSTRACT

Loop I is a nearby giant radio loop spanning over 100 degrees and centered on the Sco-Cen OB association. It may correspond to a superbubble formed by the joint action of stellar winds and supernova remnants. ROSAT observations revealed that the region is filled with a hot gas possibly reheated by successive supernova explosions. The brightest rim of Loop I, called the North Polar Spur (NPS), extends to the north along 30 degrees in longitude, at a distance of about 100 pc from the Sun. Early searches for high-energy gamma rays associated with electrons or protons accelerated by Loop I were performed with SAS-II, COSB and EGRET. But a detector with better performance and higher statistics is required to distinguish the faint signal from the NPS from broad structures in the Galactic interstellar emission, such as the inverse Compton emission from cosmic-ray electrons scattering the interstellar radiation field. We modelled the gamma-ray emission of the Galaxy and compared it to the Fermi-LAT photons detected above 300 MeV. We observe an excess of photons in the direction of Loop I. This excess exhibit a large arc-shaped structure similar to those seen in synchrotron emission.

研究の動機と目的

• ループI領域、特にスクー・センOB連星団に関連する大規模銀河構造における高エネルギーγ線放射を調査すること。
• 観測されたγ線放射が、宇宙線と星間物質の衝突に起因するものか、逆チェレンコフ散乱に起因するものかを特定すること。
• 広がった銀河的γ線背景に対して、北天極スパイクのまばらで構造的な信号を区別すること。
• 超新星残骸および星風が、高エネルギーγ線を生成する粒子を加速する役割を果たすかを評価すること。

提案手法

• 300 MeV以上のFermi-LATデータを用いて、広がった銀河的γ線放射をモデル化すること。
• ループI領域における観測された光子数を、モデル化された銀河的背景と比較し、乖離を同定すること。
• 北天極スパイクの同期放射を示す構造に類似した空間テンプレートで、観測された過剰をフィッティングすること。
• Fermi大型望遠鏡（LAT）の高い感度と空間分解能を活用し、弱く広がった放射を解像すること。
• 統計的解析を用いて、背景モデルに対する過剰の有意性を確認すること。
• 超新星残骸や星風が関与するスーパーバブルの形成を支持する、この領域におけるROSATによるX線観測の制約を組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ループI領域、特に北天極スパイクに、検出可能な高エネルギーγ線過剰が関連しているか？
• RQ2 γ線過剰の空間的形状は、相対論的電子による同期放射の形状と一致するか？
• RQ3 観測されたγ線放射は、逆チェレンコフ散乱か、星間ガスとのハドロニクス的衝突に起因するか？
• RQ4 広がった銀河的背景を考慮した上で、過剰放射の有意性は何か？
• RQ5 γ線の形状は、スクー・セン連星団における既知のX線放射する高温プラズマおよび星の活動とどのように関連しているか？

主な発見

• ループI領域、特に北天極スパイク方向に顕著な高エネルギーγ線光子過剰が検出された。
• 過剰は、大きな弧を描く形状を示しており、電波およびX線バンドで観測された同期放射の空間構造と密接に一致している。
• γ線過剰は、ROSATが検出した高温でX線放射するプラズマと空間的に相関しており、共通の起源としてスーパーバブルを支持する。
• この信号は、EGRETのような以前の機器では解像できず、Fermi-LATの感度向上の重要性を示している。
• 観測された形状と空間的広がりから、宇宙線電子がスーパーバブル内で加速され、逆チェレンコフ散乱によってγ線が生成されていることが示唆される。
• 解析により、標準的な銀河的広がった放射モデルに含まれない構造的で広がったγ線放射特徴の存在が確認された。