[論文レビュー] Microquasar observations with the MAGIC telescope

T. Saito, R. Zanin+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、2005年から2008年までの間、MAGIC望遠鏡を用いて4つの銀河的マイクロクェーサー（GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3、SS 433）における最初の長期にわたる非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線観測を実施した。低・ハードX線状態および電波フレア発生時にもかかわらず、有意な定常的または一時的VHE放射は検出されず、ハドロン的モデルにおける粒子加速効率の制約を含め、きびしいフラックス上限が得られた。

ABSTRACT

Microquasars, X-ray binaries displaying relativistic jets driven by accretion onto a compact object, are some of the most efficient accelerators in the Galaxy. Theoretical models predict Very High Energy (VHE) emission at the base of the jet where particles are accelerated to multi-TeV energies. This emission could be detected by present IACTs. %Moreover, gamma-ray fluxes should increase during flaring events when accretion rates are enhanced. The MAGIC telescope observed the microquasars GRS 1915+105, Cyg X-3, Cyg X-1 and SS433 for ~ 150 hours in total from 2005 to 2008. We triggered our observations by using multi wavelength information through radio flaring alerts with the RATAN telescope as well as by ensuring the low/hard state of the source through RXTE/ASM and Swift/BAT monitoring data. We report on the upper limits on steady and variable emission from these sources over this long period.

研究の動機と目的

• 4つの代表的な銀河的マイクロクェーサー（GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3、SS 433）からの定常的および変動的非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の探索。
• マイクロクェーサーが効率的な粒子加速器として機能するならば、相対論的ジェットの基部からVHEガンマ線を放出するという理論的予測の検証。
• RATAN-600からの電波フレアおよびRXTE/ASM、Swift/BATによるX線状態モニタリングに基づくマルチバンドアラートを用いた観測トリガーにより、検出感度の向上。
• 非検出結果を用いて、ハドロン的ジェットモデルにおける加速粒子に移動する運動エネルギーの割合を制約。
• マイクロクェーサーにおける電波およびハードX線の爆発的増光と相関する一時的VHEフレアの検出可能性の評価。

提案手法

• スペイン・ラ・パルマに設置されたMAGICイメージングアトモスフィアチェレンコフ望遠鏡を用い、鏡面面積236 m²、576ピクセルのフォトマルチプライヤー・カメラを装備。
• 二重FADCシステムの採用：2005年～2007年は300 MSample/sのSiegen-FADC、2007年2月以降は2 GSample/sのMux-FADCにアップグレードし、時間分解能の向上とバックグラウンド抑制を実現。
• 標準的なデータ還元処理：キャリブレーション、画像クリーニング、Hillasパラメータ抽出、Mux-FADCデータには時間勾配および分散の導入を実施。
• ランダムフォレスト（RF）機械学習手法を用い、「ハドロン性」を計算することで、ハドロン的バックグラウンドを抑制し、エネルギー推定を実施。
• Siegen-FADCデータにはDISP法、Mux-FADCデータにはAlpha法を適用し、過剰イベントカウントにおける系統的不確実性を最小限に抑える。
• 高トリガレート、天頂角>50°、または200 ph.e.未満の画像を含むデータを除外することで、バックグラウンド制御および感度の確保を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロクェーサーCyg X-1は、ハードX線フレア発生時および低・ハードX線状態において、検出可能なVHEガンマ線放射を示すか？
• RQ2 GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3、SS 433における定常的VHE放射の3.5年間のベースラインでの上限は何か？
• RQ3 VHE放射の非検出結果は、これらの源におけるハドロン的ジェットモデルの粒子加速効率を制約できるか？
• RQ4 電波またはハードX線の爆発的増光と相関する一時的VHEフレアの兆候は見られるか？
• RQ5 光子吸収および電磁カスケードは、マイクロクェーサー環境におけるVHEガンマ線の検出可能性にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 2005年から2008年までの観測期間（約150時間）において、GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3、SS 433のいずれに対しても有意なVHEガンマ線放射は検出されなかった。
• 2006年9月24日、Cyg X-1ではハードX線フレアおよび低・ハード状態の下で4.0σ（事前試験）の信号が観測されたが、真の検出とは確認されなかった。
• Cyg X-1の95%信頼区間におけるフラックス上限は、5.6日周期に対して7.3 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹（有効積分時間3.1時間）である。
• SS 433のフラックス上限は13.1日周期に対して6.5 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹（有効時間0.98時間）である。
• MAGICの非検出結果と低吸収プリセッション位相を仮定した場合、SS 433における陽子のハドロン的加速効率 $ q_{\rm accel} $ は ≤ 7.4 × 10⁻⁵ に制約された。
• 観測が低吸収位相で実施され、感度が向上したため、HEGRAデータに基づく過去の推定値に比べ、$ q_{\rm accel} $ の上限は顕著に厳しくなった。