[論文レビュー] Modeling the high-energy radiation in gamma-ray binaries

Benoît Cerutti, G. Dubus+1 more|ArXiv.org|Dec 18, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、若年性のパルサーから放出される相対論的電子・陽電子対が逆コンプトン散乱によってGeVおよびTeV放射を生成する、パルサー風 Nebula のシナリオを用いて、ガンマ線連星における高エネルギー放射をモデル化している。FermiによるLS I +61°303の観測では、γγ吸収とは整合しないGeVスペクトルカットオフが示され、このGeV成分が遮られなかったパルサー風由来である可能性を示唆しているが、モデルにおける軌道的モodulation位相は一致しない。

ABSTRACT

Gamma-ray binaries are orbital modulated gamma-ray sources in the Galaxy detected both at GeV and TeV energies. The high-energy radiation may come from the interaction of energetic electrons injected by a young pulsar and photons from the massive companion star. We present a model for the production of high-energy radiation where emission, absorption and pair cascading are considered. New observations of LS I +61 303 by the Fermi Space Telescope revealed an exponential cut-off in the spectrum at a few GeV, inconsistent with gamma-gamma absorption. Electrons radiating at GeV and TeV have probably two different origins. We investigate whether the emission from the unshocked pulsar wind explains the GeV component in LS I +61 303.

研究の動機と目的

• ガンマ線連星における高エネルギー放射、特にGeVおよびTeV放射成分を説明すること。
• Fermiが観測したLS I +61°303におけるGeV成分が、遮られなかったパルサー風由来であるかどうかを検討すること。
• LS I +61°303における観測された軌道的モodulationを、遮られなかった風からの逆コンプトン放射の理論的モデルと一致させること。
• 対カスケーディング、光子-光子吸収、および放射の非等方性がスペクトル的・時間的特徴をどのように決定づけるかを評価すること。
• 標準的なパルサー風 Nebula モデルの予測と観測されたFermi光曲線との不一致を解消すること。

提案手法

• 星からの光子と相互作用する遮られなかったパルサー風内の相対論的対による逆コンプトン放射をモデル化する。
• スペクトル指数 ≈3.1、かつ約25 GeVで指数的カットオフを持つ、やわらかめのパワー則的注入スペクトルを用いる。
• 星の相対的位置と視線角を変化させることで、ガンマ線放射の軌道的モodulationを計算する。
• LS 5039のスペクトルモデリングにおいて、光子-光子吸収および対カスケーディングの効果を含める。
• 2009ApJ…698..514Aの軌道パラメータを用いて、理論的光曲線およびスペクトルをFermiおよびMAGIC観測と比較する。
• 観測された放射束を再現するためのパルサー風の全放射出力要件を評価し、Lp > 10^37 erg·s⁻¹の結果を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮られなかったパルサー風が、Fermiが観測したLS I +61°303におけるGeVスペクトル成分を説明できるか？
• RQ2 遮られなかった風からの理論的光曲線が、観測されたFermiモodulationとは異なる軌道位相でピークを示すのはなぜか？
• RQ3 遮られなかった風が放射源である場合、観測されたGeVモodulationに位相シフトを引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ4 LS 5039におけるスペクトル的・時間的特徴を決定づける、放射、吸収、および対カスケーディングの相互作用は何か？
• RQ5 LS I +61°303における観測された6.3 GeVのスペクトルカットオフがγγ吸収と整合しないのはなぜか？これは放射源の性質に何を示唆するか？

主な発見

• LS I +61°303における6.3 GeVの観測スペクトルカットオフは、γγ吸収では説明できないため、GeV成分が単純な衝撃を受けた風由来である可能性は排除される。
• 遮られなかったパルサー風モデルは、パルサーの放射出力が10^37 erg·s⁻¹を超える場合にのみ、観測されたGeV放射束を再現できる。
• 遮られなかった風からの理論的光曲線は、近日点直前（軌道位相φ ≈ 0.15）にピークを示すが、観測されたFermiのピークはφ ≈ 0.25に位置しており、位相のずれが生じている。
• モデルは近日点直後における放射の急激な低下を予測しており、これは対と星からの光子の効率の悪い正面衝突に起因する。この予測は観測結果と一致する。
• LS 5039のスペクトルに明確な線状特徴が検出されないことは、パルサー風のローレンツ因子が低め（γ < 10⁴）または非常に高い（γ > 10⁷）可能性を示唆する。
• 遮られなかった風モデルでは、説明のつかない+0.25の位相シフトが生じるため、観測されたGeVモodulationを完全に説明することはできない。これにより、さらなる物理的メカニズムの導入が不可避である。