[論文レビュー] The Vela X pulsar wind nebula through the eyes of H.E.S.S. and Suzaku

L. Tibaldo, F. Aharonian+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、H.E.S.S. 1 TeVガンマ線データとSuzaku X線データを組み合わせ、Vela X パulsar wind nebula（PWN）における電子エネルギー分布および磁場特性について、空間的に分解されたモデルフリーな解析を実施した。その結果、ネビュラ全体にわたり非常に均一な電子スペクトルと磁場が得られ、外縁部では磁場乱流が57%未満に制限された。これは、効率的な粒子輸送または加速機構が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Pulsar wind nebulae (PWNe) are among the most extreme particle accelerators in galaxies, are recognized as multi-TeV electron/positron sources, and are one of the dominant classes of Galactic gamma-ray sources. Vela X is a nearby PWN at 290 pc from the Earth with large apparent size ($>1^\circ$). The H.E.S.S. array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes has detected Vela X as one of the brightest known sources of TeV gamma rays. The bulk of the gamma-ray emission measured using H.E.S.S. coincides with an elongated structure known from X-ray observations and dubbed the cocoon, that seemingly emanates from the region of the pulsar wind termination shock. The spectral energy distribution of the cocoon peaks at around 10 TeV, and then presents a cutoff that can be precisely measured with H.E.S.S. owing to the extreme brightness of the source. Electrons radiating inverse-Compton gamma rays in the cutoff region are the same responsible for the X-ray synchrotron emission at energies $> 1$ keV. Therefore, Vela X provides a unique test case, in which we can constrain the densities and spectra of accelerated leptons in the cutoff regime, as well as the magnetic field properties, with minimal modeling assumptions. Thanks to the proximity/large apparent size of the source, this can be done in a spatially-resolved fashion across the PWN. We will present an analysis of H.E.S.S. data combined with X-ray data from the Suzaku space telescope. We will discuss implications for the mechanisms behind particle acceleration and transport, constrain the strength of the magnetic field in different locations in the nebula, and probe for magnetic field turbulence.

研究の動機と目的

• 多波長データを用いて、Vela X パulsar wind nebula における空間的に分解された電子エネルギースペクトルおよび磁場特性を調査すること。
• 観測されたTeVガンマ線放射およびX線シンクロtron放射が、同じ相対論的電子集団から起因するかどうかを検証すること。
• 最小限のモデル仮定のもとで、コッコン領域における磁場の強度と構造、特に乱流レベルを制約すること。
• 逆コンプトン放射領域における電子スペクトルカットオフの形状を解析することで、PWN内における粒子加速および輸送機構を探る。
• 脈動星から0.3–5 pcの距離で観測されたスペクトルの一様性が、効率的な粒子輸送か局所的加速を示唆するかを特定すること。

提案手法

• H.E.S.S. による100時間以上のガンマ線データと、Vela X コッコンの3つの異なる領域（脈動星近傍：ポイントイング0、および2つの外縁領域：ポイントイング1と2）を標的としたSuzaku X線観測3回分を統合した。
• X線（Suzaku XIS）およびガンマ線（H.E.S.S.）データの同一領域から空間的に一致するスペクトルエネルギー分布（SED）を抽出し、シンクロtron放射と逆コンプトン放射を直接比較可能にした。
• 同一の電子集団が両放射を生成すると仮定し、単一の電子分布モデルを用いて、X線シンクロtron放射とTeV逆コンプトン放射を同時にフィットした。
• 磁場を均一成分と乱流成分の混合としてモデル化し、乱流成分の強度はパワーロー分布（Kraichnanスペクトル、指数α = 1.5）に従うものとし、混合比とRMS磁場強度を自由パラメータとしてフィットした。
• ベイズ推論を用いて磁場パラメータおよび電子スペクトルカットオフの事後確率分布を導出し、不確実性の評価と乱流の制約を可能にした。
• H.E.S.S. の高い感度により10 TeV付近のスペクトルカットオフが、Suzaku のX線カバー範囲（10 keVまで）により、クライン＝ニシナ抑制領域における電子スペクトルの解析が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Vela X コッコンにおける電子エネルギースペクトルは、脈動星風終着波面からの距離が0.3 pcから5 pcの範囲で空間的に一様であるか？
• RQ2 Vela X コッコンの異なる領域における磁場の強度と構造、特に乱流レベルはいかほどか？
• RQ3 観測されたTeVガンマ線およびX線放射は、複雑な空間的変動を持つモデルを必要とせず、同一の相対論的電子集団によって説明可能か？
• RQ4 データは電子スペクトルカットオフの形状にどのような制約を課すか？ これは粒子加速または輸送機構に何を示唆するか？
• RQ5 シンクロtron冷却時間スケールを考慮すると、観測されたスペクトルの一様性は、終着波面領域からの効率的な粒子輸送を示唆するか？

主な発見

• 0.3 pcから5 pc以上の距離にわたり、Vela X コッコン全体で電子エネルギースペクトルが顕著に均一であり、観測されたエネルギー範囲でスペクトルの硬化や軟化は観測されなかった。
• 3つの領域すべてにおいて、コッコン内での磁場強度は5 μG以上で一貫しており、空間的変化は検出されなかった。
• ポイントイング1および2（外縁部）では、99%信用区間において磁場乱流の割合がそれぞれ57%未満および56%未満に制限され、主に均一な磁場構造であることが示された。
• 内側領域（ポイントイング0）では、空間分解能の制限および脈動星に近接しているため、磁場が均一か乱流的かのモデル区別ができない。
• X線エネルギー範囲の制限（10 keV未満）および高エネルギー域におけるガンマ線統計の低下により、電子スペクトルカットオフの形状は依然として poorly constrained であり、加速機構に関する直接的な推論は困難である。
• 観測されたスペクトルの一様性および高い磁場強度は、シンクロtron冷却時間スケールが系の年齢よりもはるかに短いことと照らし合わせると、ネビュラ内に効率的な粒子輸送または加速機構が作用していることを強く示唆している。