[논문 리뷰] Unidentified Gamma-Ray Sources as Ancient Pulsar Wind Nebulae

A. Djannati-Ata, Ferreira, S. E. S.외 7명|ArXiv.org|2009. 06. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 비확인된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 소스가 자기장 감쇠로 인해 동기방출이 흐려졌지만, 역코흐린턴(IC) 감마선 방출은 여전히 밝은 고대 펄서 풍압축운(PWNe)일 수 있다고 제안한다. 시간에 따라 변화하는 자장과 입자 주입을 고려한 자기유체역학(MHD) 모델을 사용하여, PWN 자기장이 $ t^{-1.3} $ 의 법칙에 따라 감쇠됨을 보여주며, 이는 X선 플럭스 감소를 유도하지만, 적응성 및 IC 손실로 인해 피크에 도달한 후 감소하는 IC 감마선 플럭스가 증가함을 나타낸다. 이는 오래된 PWNe에서 GeV/TeV 대역에서의 지속적인 가시성을 설명한다.

ABSTRACT

In this paper we explore the evolution of a PWN while the pulsar is spinning down. An MHD approach is used to simulate the evolution of a composite remnant. Particular attention is given to the adiabatic loss rate and evolution of the nebular field strength with time. By normalising a two component particle injection spectrum (which can reproduce the radio and X-ray components) at the pulsar wind termination shock to the time dependent spindown power, and keeping track with losses since pulsar/PWN/SNR birth, we show that the average field strength decreases with time as $t^{-1.3}$, so that the synchrotron flux decreases, whereas the IC gamma-ray flux increases, until most of the spindown power has been dumped into the PWN. Eventually adiabatic and IC losses will also terminate the TeV visibility and then eventually the GeV visibility.

연구 동기 및 목표

• 비확인된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 소스의 성격을 동기방출이 흐려졌지만 IC 감마선 방출이 유지되는 진화한 펄서 풍압축운(PWNe)으로 설명하는 것.
• 중앙 펄서의 시간에 따라 변화하는 스피닝다운 에너지 입력을 사용하여 PWN 자기장 강도와 다중파장(MWL) 방출의 시간 진화를 모델링하는 것.
• 젊은 복합 초신성잔여물 SNR G21.5-0.9를 프로토타입으로 삼아, PWN의 진화 상태와 관측된 방출 수준(라디오, X선, GeV/TeV 대역)을 일치시키는 것.
• PWN의 라디오 및 X선 가시성이 끝난 후에도 감마선에서 감지 가능한 상태를 유지할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 적응성 및 역코흐린턴 손실이 오래된 PWNe의 감마선 가시성 종료에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 구좌표계에서 한 유체 MHD 모델이 질량, 운동량, 에너지 보존의 오일러 방정식을 해결하며, 비열용수율 지수는 5/3이다.
• 유체에 대한 반작용 없이 자기장 진화는 유도 방정식 $ \partial\mathbf{B}/\partial t + \nabla \times (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) = 0 $ 을 통해 운동학적으로 모델링된다.
• 펄서의 스피닝다운 루미노사티는 $ L(t) = L_0 / (1 + t/\tau)^2 $ 로 모델링되며, $ \tau $ 는 펄서의 탄생 시기와 현재 주기, 브레이킹 인덱스 3으로 유도된다.
• 입자 주입은 이중 성분의 멱법칙 스펙트럼으로 모델링되며, $ Q(E,t) = Q_0(t) E^{-p_1} $ ( $ E < E_b $ 에서), $ Q_0(t)(E/E_b)^{-p_2} $ ( $ E > E_b $ 에서), $ p_1 = 1 $, $ p_2 = 2.6 $, $ E_b = 40 $ GeV이다.
• 총 주입된 전자 에너지는 $ W_e(t) = \eta \Delta E_{\text{rot}} $ 로 주어지며, $ \eta $ 는 스피닝다운 에너지의 입자 변환 효율이다.
• IC 감마선 플럭스는 CMBR, 25 K 갈락틱 먼지, 별빛(1 eV/cm³)의 복사장과 에너지 밀도가 내부 은하와 일치하도록 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비확인된 VHE 감마선 소스의 관측된 성질을 동기방출이 흐려졌지만 IC 방출이 지속되는 진화한 PWNe로 설명할 수 있는가?
• RQ2 PWN의 자기장 강도는 시간에 따라 어떻게 변화하며, 펄서의 스피닝다운 시간 상수에 따라 어떤 의존성을 가지는가?
• RQ3 왜 일부 PWNe는 X선 및 라디오 방출이 흐려진 후에도 GeV/TeV 감마선에서 밝게 유지되는가?
• RQ4 적응성 및 역코흐린턴 손실이 PWNe의 감마선 가시성 수명에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ5 시간에 따라 변화하는 입자 주입 모델과 변화하는 자기장을 사용하여 G21.5-0.9의 다중파장 스펙트럼을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• PWN의 평균 자기장 강도는 $ t^{-1.3} $ 의 법칙에 따라 감쇠되어 시간이 지남에 따라 동기방출 X선 플럭스가 크게 감소한다.
• 역코흐린턴(IC) 감마선 플럭스는 시간이 지남에 따라 증가하여 피크에 도달한 후 적응성 및 IC 에너지 손실로 인해 감소한다.
• G21.5-0.9의 현재 연령(~1 kyr)에서 예측된 X선, 라디오, GeV/TeV 플럭스는 관측 결과와 잘 일치하여 모델의 타당성을 입증한다.
• 관측된 X선 및 테바론 감마선 플럭스를 재현하기 위해 높은 입자 주입 효율 $ \eta = 0.7 $ 이 필요하며, 이는 스피닝다운 에너지가 고속 전자로 효율적으로 변환됨을 시사한다.
• 내재된 스펙트럼의 붕괴점 $ E_b = 40 $ GeV(라디오에서 약 $ \sim 10^{12} $ Hz에 해당)는 복사 손실 때문일 수 없으며, 이는 비현실적으로 강한 자기장을 요구하기 때문이다.
• PWN의 감마선 가시성은 라디오 및 X선 가시성보다 훨씬 오래 지속될 수 있으며, IC 플럭스는 손실 또는 구조적 붕괴로 인해 방출이 종료될 때까지 감지 가능하다.