[論文レビュー] Spectral modelling of a H.E.S.S.-detected pulsar wind nebula

Carlo van Rensburg, Kruger, P. P.+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、Fokker-Planck輸送方程式を解く時間依存的で多領域のレプトン的モデルを提示し、パulsar風ネビュラ（PWNe）のスペクトルエネルギー分布（SED）をシミュレートする。このモデルは、シンクロトロン放射および逆コンプトン放射を組み込み、H.E.S.S. VHE、X線、電波データを用いてG0.9+0.1の広帯域SEDを良好に再現し、空間的拡散およびエネルギー損失（特に逆コンプトン損失）を考慮することで、単一領域モデルよりも高い精度を達成している。

ABSTRACT

In the last decade ground-based Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes have discovered roughly 30 pulsar wind nebulae at energies above 100 GeV. We present first results from a leptonic emission code that models the spectral energy density of a pulsar wind nebula by solving the Fokker-Planck transport equation and calculating inverse Compton and synchrotron emissivities. Although models such as these have been developed before, most of them model the geometry of a pulsar wind nebula as that of a single sphere. We have created a time-dependent, multi-zone model to investigate changes in the particle spectrum as the particles diffuse through the pulsar wind nebula, as well as predict the radiation spectrum at different positions in the nebula. We calibrate our new model against a more basic previous model and fit the observed spectrum of G0.9+0.1, incorporating data from the High Energy Stereoscopic System as well as radio and X-ray experiments.

研究の動機と目的

• パulsar風ネビュラ（PWNe）の空間的解像度と時間依存性を持つモデルを構築し、複数の領域における粒子の拡散およびエネルギー損失を考慮する。
• 粒子スペクトルと放射放出における半径依存性を組み込むことで、単一球体モデルを改善する。
• 既存のベンチマークモデルとの照合およびG0.9+0.1の観測SEDを用いた検証を通じて、新モデルを校正する。
• 将来の集団研究を通じて、TeV表面輝度とパulsarのスピンダウン光度との関係を調査する。

提案手法

• 粒子の拡散、エネルギー損失（シンクロトロンおよび逆コンプトン）および破綻したパower-lawスペクトルによる粒子注入を伴うFokker-Planck輸送方程式を解く。
• パulsarのスピンダウン光度から導かれる時間依存的粒子注入率を用い、$ L(t) = L_0 / (1 + t/\tau_0)^2 $ とし、変換効率 $ \epsilon = 0.6 $ を設定する。
• 逆コンプトン散乱のための3つのソフト光子場（CMB、赤外、星光）を含み、エネルギー依存の断面積および光子密度を考慮する。
• シンクロトロン放射は臨界周波数 $ \nu_{\text{cr}} $ および修正ベッセル関数を用いて計算し、逆コンプトン発光度はエネルギーおよび角度依存の散乱カーネルを用いて算出する。
• 多領域球対称幾何を採用し、電子を中心から注入し、外向きに拡散させ、内側は反射的境界条件、外側はゼロ境界条件を適用する。
• 視線方向の放射度は、距離 $ d = 8.5 $ kpc を考慮して、球状領域と交差する円柱パスに沿って体積発光度を積分することで計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多領域で時間依存的なモデルは、単一領域モデルと比較して、PWNのスペクトルエネルギー分布（SED）予測の精度をどのように向上させるか？
• RQ2 逆コンプトン損失は、PWN内における異なる半径での電子エネルギー分布および放射の形状にどのような役割を果たすか？
• RQ3 H.E.S.S.、X線、電波データを用いて、このモデルは観測されたG0.9+0.1の広帯域SEDをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 未解明の観測的不一致が示唆するように、モデルが予測するTeV表面輝度は、パulsarのスピンダウン光度と相関しているか？
• RQ5 磁場および電子分布の空間的変動は、シンクロトロンおよび逆コンプトン放射の半径依存性にどのように影響するか？

主な発見

• モデルは、電波、X線、VHEガンマ線データを含むG0.9+0.1の広帯域SEDを、エネルギー帯域全体で良好な一致で再現した。
• 輸送モデルに逆コンプトンエネルギー損失を組み込むことで、ベンチマークモデル（これらの損失を無視）と比較してシンクロトロン成分が低減された。
• モデルは、高エネルギー電子がより速くエネルギーを失い、より小さな半径で放射するため、TeV表面輝度が半径方向に減少する予測を示し、シンクロトロン冷却と整合的である。
• 磁場40.0 $\mu$G、パulsar年齢1900年、パルス周期$ P = 52 $ msおよび$ \dot{P} = 1.5557 \times 10^{-13} $ と一致するパラメータが、観測と整合的で物理的に妥当であることが判明した。
• 空間的拡散およびエネルギー損失の効果が、ネビュラ全体における電子スペクトルに顕著に影響を与え、単一領域近似ではなく多領域モデルの必要性を裏付けた。
• 文献[2]のモデルとの照合において良好な一致が得られ、今後の集団研究に向けた新フレームワークの信頼性を確認した。