[論文レビュー] Highlights of the MAGIC Telescopes

J. Cortina|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、2年間の運用後、エネルギー閾値50 GeV、300 GeV以上で0.76% Crabの積分感度を達成したMAGICステレオスコピック超高エネルギー（VHE）ガンマ線望遠鏡システムの性能および主要な科学的結果を提示する。50 GeVから50 TeVの範囲で蟹状星雲スペクトルの初測定、400 GeVまでガンマ線パルサーの検出、2つの新しいVHE電波銀河の発見、スペクトルカットオフのない速い変動を示すクェーサーの証拠—これらは現在の放射メカニズムモデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The MAGIC two 17 meter diameter Very High Energy (VHE) gamma-ray telescopes have now operated for two years in stereoscopic mode. The performance of the instrument has been evaluated: the integral sensitivity for an energy above 300 GeV is 0.76% crab units (10% Crab units differential sensitivity below 100 GeV) and the analysis threshold energy is 50 GeV. Highlights of the last two years of observations are the measurement of the Crab Nebula spectrum from ~50 GeV to ~50 TeV; the detection of the Crab pulsar up to an energy of 400 GeV, with energy spectra measured for both P1 and P2; the discovery of two new radiogalaxies at VHE (NGC 1275 and IC-310); the absence of an energy cutoff and the discovery of fast variability in the quasars 3C 279 and PKS 1222+21; the discovery at VHE and the characterization of numerous blazars; upper limits to the VHE emission of the Perseus cluster of galaxies and to Dark Matter annihilation in dwarf Spheroidals and the measurement of the electron+positron spectrum between 100 GeV and 3 TeV. MAGIC is currently undergoing a major upgrade of the readout and trigger electronics, and of the camera of the first telescope.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー（VHE）ガンマ線を検出するMAGICステレオスコピックイメージング大気チェレンコフ望遠鏡システムの性能を評価すること。
• 50 GeVから50 TeVの広いエネルギー範囲にわたり、蟹状星雲のスペクトルエネルギー分布を測定すること。
• VHE源、たとえば蟹状パルサー、クェーサー、ブラザーの変動性およびスペクトル的性質を調査すること。
• 矮星系球状銀河におけるダークマター散乱のVHE放射を探索し、ペルセウス銀河団のような拡張源からの放射を調査すること。
• 未同定のFermiオブジェクトからのVHE放射に対する上限を設定し、100 GeVから3 TeVの範囲で電子＋陽電子スペクトルを測定すること。

提案手法

• MAGIC望遠鏡は、感度と角度分解能を向上させるために、アップグレードされたカメラおよび読み出しシステムを備えた2基の17メートル径のチェレンコフ望遠鏡を用いてステレオスコピックモードで運用される。
• 観測は、天の赤道角0°〜50°の範囲で蟹状星雲に対して49時間にわたって実施され、高度な解析手法により低エネルギー閾値の再構築が可能になった。
• 装置は2 GSamples/sのDRS4ベース読み出しシステムとサムトリガーシステムを用い、停止時間の短縮とトリガ効率の向上を実現している。
• スペクトル解析には、Fermi/LATとMAGICのデータを統合した曲線を用いた累乗法的フィットを採用し、エネルギースケールの不確実性は系統誤差として取り入れた。
• 観測された感度と閾値と一致するガンマ線およびバックグラウンド粒子（陽子、ヘリウム、電子）のモンテカルロシミュレーションを用いて、装置性能の妥当性を検証した。
• 矮星系球状銀河に対しては、特定の超対称的ダークマター模型のスペクトル的特徴を組み込んだ、新しい解析手法を適用し、散乱信号の上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAGICステレオスコピックシステムのVHEガンマ線検出におけるエネルギー閾値と感度は何か？
• RQ2 10 TeVを超える領域で、クライン＝ニシナ効果により蟹状星雲スペクトルにスペクトルカットオフが現れるか？ また、逆コンプトン放射のピーク位置はどこにあるか？
• RQ3 3C 279 やPKS 1222+21 といったクェーサーのVHE放射に、速い変動特徴が認められ、かつスペクトルカットオフの兆候があるか？
• RQ4 矮星系球状銀河におけるダークマター散乱からのVHE放射の上限は何か？ 未同定のFermiオブジェクトからのVHE放射の上限は？
• RQ5 100 GeVから3 TeVの範囲における電子＋陽電子スペクトルの形状は何か？ また、理論的期待値と比較するとどうなるか？

主な発見

• MAGICステレオスコピックシステムは、エネルギー閾値50 GeV、300 GeV以上で0.76% Crab単位の積分感度を達成し、100 GeV未満では10% Crab単位の微分感度を示した。
• 蟹状星雲スペクトルは58 GeVから50 TeVの範囲で測定され、逆コンプトン放射のピーク位置は59 ± 6 GeV（統計誤差のみ）に位置した。
• 蟹状パルサーは400 GeVまで検出され、P1およびP2の2つのパルス成分のエネルギースペクトルが測定され、いずれの成分に対してもスペクトルカットオフの兆候は認められなかった。
• NGC 1275およびIC-310という2つの新しいVHE電波銀河が発見され、それぞれ特徴的なスペクトル的性質を示した。
• 3C 279およびPKS 1222+21のクェーサーでは、エネルギーカットオフのない速い変動が観測され、これらの源におけるVHE放射の現在のモデルに挑戦するものであった。
• ペルセウス銀河団および矮星系球状銀河におけるダークマター散乱からのVHE放射に対して、上限が設定され、最も楽観的な超対称的モデル予測の600倍以上高い値であった。