[論文レビュー] Probing proton acceleration in W51C with MAGIC

Julian Krause, E. Carmona+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2011

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

ひとこと要約

本研究では、MAGIC望遠鏡アレイを用いて、超新星残骸W51Cにおける最初の高解像度の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線観測を実施し、衝撃を受けた分子雲と空間的に一致する拡張的VHE放射を確認した。GeVからTeVエネルギーにわたりスペクトルが一貫しており、密度の高い分子物質と空間相関を示すことは、核反応起源（pion崩壊）を強く支持し、W51Cが圧縮された雲内での陽子-陽子反応による宇宙線加速の主要候補であることを確認した。

ABSTRACT

Located in a dense complex environment, W51C provides an excellent scenario to probe accelerated protons in SNRs and their interaction with surrounding target material. Here we report the observation of extended Very High Energy (VHE) gamma-ray emission from the W51C supernova remnant (SNR) with MAGIC. Detections of extended gamma-ray emission in the same region have already been reported by the Fermi and H.E.S.S. collaborations. Fermi/LAT measured the source spectrum in the energy range between 0.2 and 50 GeV, which was found to be well fit by a hadronic neutral-pion decay model. The VHE observations presented here, obtained with the improved MAGIC stereo system, allow us to pinpoint the VHE gamma-ray emission in the dense shocked molecular cloud surrounding the remnant shell. The MAGIC data also allow us to measure, for the first time, the VHE emission spectrum of W51C from the highest Fermi/LAT energies up to TeV. The spatial distribution and spectral properties of the VHE emission suggest a hadronic origin of the observed gamma rays. Therefore W51C is a prime candidate for a cosmic ray accelerator.

研究の動機と目的

• 超新星残骸W51Cにおける非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の起源を解明すること。
• 多波長データを用いて、レプトン的（逆コンプトン）と核反応的（パイオン崩壊）の放射メカニズムを区別すること。
• 高角分解能MAGIC観測を用いてVHE放射の空間的起源を特定すること。
• Fermi/LATが測定可能な最高エネルギー帯域からTeV領域まで、W51CのVHEガンマ線スペクトルを測定すること。
• 分子雲および衝撃構造と比較することで、放射の核反応的起源を検証すること。

提案手法

• VHEガンマ線を700 GeV以上で、サブ度程度の角分解能（約0.05°）で検出可能な、改良されたMAGICステレオイメージング・チェレンコフ望遠鏡システムを用いた。
• MAGICのVHE放射と電波、X線、および分子線データ（例：66 km/sにおける13-CO）との空間的相関を分析し、放射領域を同定した。
• Fermi/LATのエネルギー範囲を欠損なく補完し、W51CのVHEガンマ線スペクトルを約100 GeVから数TeVにわたり測定した。
• 理論的モデル（核反応的パイオン崩壊とレプトン的逆コンプトン）と観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）を比較した。
• 発光領域の同定とFermi/LATおよびH.E.S.S.の源輪郭との比較に、テスト統計の有意性マップを用いた。
• Kooら（1997b）が定義した衝撃を受けたガス領域および電波におけるSNR殻と比較して、VHE放射の空間分布を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W51CのVHEガンマ線放射は、衝撃を受けた分子雲と空間的に一致しており、核反応的起源を支持するか？
• RQ2 W51Cのスペクトルエネルギー分布（SED）は、核反応的放射が想定するように、GeVからTeVエネルギーにわたり一様な単一のべき乗法則に従うか？
• RQ3 観測されたVHE放射は、逆コンプトン散乱などのレプトン的プロセスによって説明可能か、それとも顕著な制約に直面するか？
• RQ4 パulsar Wind Nebula（PWN）候補であるCXO J192318.5+140505はVHE放射にどのような役割を果たしており、VHEピークと空間的に相関しているか？
• RQ5 MAGICの高角分解能は、Fermi/LAT や H.E.S.S. よりも、VHE放射の位置をより正確に特定可能か？

主な発見

• MAGIC観測により、W51Cからの拡張的VHEガンマ線放射が確認され、H.E.S.S.およびFermi/LATの測定値と整合する放射度であった。
• 700 GeV以上のVHE放射は、電波データで同定された衝撃を受けた分子ガス領域と空間的に一致しており、核反応的起源を支持する。
• W51CのVHEスペクトルは、約100 GeVから数TeVにわたり、べき乗法則でよく記述されており、核反応的起源と整合するスペクトル指数を示している。
• Fermi/LATが10 GeV以上で測定したスペクトル指数は-2.5 ± 0.18であり、MAGICデータがそのスペクトルを途切れなく延長しており、核反応的メカニズムを支持する。
• 観測された放射は、非現実的に高い電子対陽子比（約1）を要するレプトン的モデルでは説明できないが、これは宇宙線測定と整合しない。
• MAGICの高角分解能（700 GeVにおける約0.05°）により、VHE放射が主に密度の高い衝撃を受けた分子雲領域から発していることが解明され、PWNや他の点源とは空間的に相関しない。