Study of Low-mass Microquasars with HAWC Observatory

국문 초록 (Abstract)

감마선은 전자기파 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 대역으로, 천체에서의 비열적 입자 가속과 방출 과정을 규명하는 데 핵심적인 정보를 제공한다. 감마선은 중성 파이온($\pi^{0}$) 붕괴를 통해 생성되는 hadronic 메커니즘이나, 가속된 전자에 의한 싱크로트론 복사와 역컴프턴 산란에 기반한 leptonic 메커니즘을 통해 생성될 수 있다. 특히 very-high-energy (VHE; 0.1--100~TeV) 감마선은 가속된 입자의 최대 에너지 영역 근처에서의 특성과 방사 냉각, 그리고 $\gamma\gamma$ 흡수에 의해 나타나는 스펙트럼 변화를 보여주며, 다른 메신저 관측 결과와의 결합을 통해 천체 환경에 대한 상호보완적인 제약을 제공한다.

초신성 잔해, 펄사 및 펄사풍 성운, 활동은하핵, 그리고 쌍성계 등 다양한 천체가 VHE 감마선을 방출하는 것으로 알려져 있다. 이들 가운데 저질량 마이크로퀘이사(low-mass microquasar, LMMQ)는 저질량 동반성으로부터 공급된 물질이 블랙홀 또는 중성자별에 강착되며 상대론적 제트를 형성하는 은하 내 X선 쌍성계이다. 여러 이론적 연구에서 LMMQ가 VHE 감마선을 방출할 수 있음을 제시해 왔으나, 이를 대상으로 한 감마선 방출의 검출 및 체계적인 특성 분석 연구는 아직 이루어지지 않았다. LMMQ는 외부 복사장이 매우 약하고 주변 물질 밀도 또한 낮은 환경에 존재하므로, 이들 천체에서의 VHE 감마선 방출은 외부 표적 광자나 주변 물질과의 상호작용보다는 주로 제트 내부 과정에 의해 지배될 가능성이 크다.

VHE 감마선은 현재 주로 지상 기반 실험을 통해 관측되며, 지상 기반 감마선 관측 기법 중 하나인 particle sampling array(PSA)는 지표면에서 2차 공기 샤워 입자를 검출함으로써 TeV--PeV 감마선을 효과적으로 관측할 수 있다. 본 연구에서 사용한 데이터는 대표적인 PSA 검출기 중 하나인 High-Altitude Water Cherenkov(HAWC) Observatory의 관측 결과로, HAWC는 약 2~sr의 순간 시야와 95\% 이상의 실효 가동률을 가지며 수백~GeV부터 수백~TeV 범위의 감마선에 높은 민감도를 보인다. 이러한 특성으로 인해 HAWC는 LMMQ의 VHE 감마선 방출에 대한 장기적 관측과 모집단 수준의 분석을 수행하는 데 적합한 관측 장비라 할 수 있다.

본 연구에서는 약 3,039일의 HAWC 관측 데이터를 사용하여 LMMQ에서의 VHE 감마선 방출을 탐색하였다. 블랙홀을 콤팩트 천체(compact object)로 가지는 LMMQ가 low-hard 상태에서 VHE 감마선을 방출할 수 있다는 이론적 제안을 바탕으로, 콤팩트 천체의 종류와 천체의 위치를 기준으로 분석 대상을 선정하였다. 이에 따라 총 5개의 블랙홀 LMMQ를 최종 분석 대상으로 선정하여 두 가지 분석을 진행하였다. (i) 각 LMMQ를 스펙트럼 지수 $2.5$의 power law 스펙트럼을 따르는 점원으로 가정하고, 에너지 구간별과 전 에너지 구간(1--100~TeV)에서 90\% 신뢰 구간(credible interval, CI) 플럭스 상한을 계산하고, (ii) 1--100~TeV 데이터를 이용해 개별 우도 프로파일을 산출한 뒤, 이를 우도 공간에서 합하는 적층 분석을 통해 집단적 감마선 신호를 탐색하였다. 적층 분석에서는 $p\gamma$ 상호작용에 의해 감마선이 생성된다는 가정을 바탕으로, 우도 결합 과정에 적용할 가중치를 두 가지 물리적 시나리오에 따라 정의하였다. 첫 번째 시나리오는 제트 동력($L_{\rm jet}$)의 일부가 감마선 방출 효율($\epsilon_\gamma$)에 의해 감마선으로 전환될 수 있다는 가정에 근거해, $L_{\rm jet}/d^2$ 가중을 적용하여 제트 감마선 방출 효율 상한을 구하였다. 두 번째 시나리오는 $p\gamma$ 상호작용 시 감마선과 중성미자가 함께 방출되며 감마선 광도($L_\gamma$)와 중성미자 광도($L_\nu$)가 $L_\nu = 3 L_\gamma$의 관계를 가진다는 이론적 근거에 따라, 거리 감쇠를 반영한 $1/d^2$ 가중을 사용하여 모든 flavor를 합산한 중성미자 광도 상한을 도출하였다.

다섯 개 블랙홀 LMMQ의 개별 및 적층 분석 모두에서 통계적으로 유의미한 감마선 초과는 검출되지 않았다. 이에 따라 에너지 구간별 및 전 에너지 구간(1--100~TeV)에서의 90\% CI 감마선 플럭스 상한을 제시하였다. 첫 번째 시나리오에서의 적층 미분 플럭스 상한은 약 $1.28\times10^{-15}\,{\rm TeV^{-1}\,cm^{-2}\,s^{-1}}$이며, 이에 대응하는 제트 감마선 방출 효율 상한은 $\epsilon_\gamma \lesssim 7.7\times10^{-6}$으로 추정되었다. 또한, 두 번째 시나리오에서는 7~TeV 기준 미분 플럭스 상한이 약 $1.21\times10^{-15}\,{\rm TeV^{-1}\,cm^{-2}\,s^{-1}}$로 도출되었고, 이는 3.5~TeV 기준 모든 flavor 합산 중성미자 광도 상한 $L_\nu \lesssim 2.17\times10^{32}\,{\rm TeV\,s^{-1}}$에 대응한다.

본 연구는 LMMQ라는 천체 집단에서의 VHE 감마선 방출 메커니즘에 대한 제약을 제시한 초기 연구 중 하나로, 향후 중성미자 및 다파장 전자기파 관측과의 연계 분석을 통해 LMMQ의 물리적 방출 메커니즘을 규명하는 데 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gamma rays, the highest-energy part of the electromagnetic spectrum, provide a unique probe of non-thermal particle acceleration and radiation processes in astrophysical environments. They are produced through hadronic processes, via neutral pion decay accompanied by cosmic rays and neutrinos, or through leptonic processes involving synchrotron emission and inverse Compton scattering by relativistic electrons. In particular, very-high-energy (VHE; 0.1--100~TeV) gamma rays probe properties of accelerated particles near their maximum energies, with spectra shaped by radiative cooling and $\gamma\gamma$ absorption. When combined with other messengers such as neutrinos, VHE gamma rays provide complementary constraints on particle acceleration and source environments.

Many astrophysical systems can emit VHE gamma rays, including supernova remnants, pulsar wind nebulae, active galactic nuclei, and binary systems. Low-mass microquasars (LMMQs) are Galactic X-ray binaries in which accretion from a low-mass companion onto a black hole or neutron star powers relativistic jets. Although several theoretical models suggest VHE gamma-ray emission from LMMQs, no dedicated study of their gamma-ray emission has yet been conducted. Their weak external radiation fields and low ambient densities suppress interactions with external photons and matter, implying that VHE gamma-ray emission would be dominated by internal jet processes.

VHE gamma rays are mainly observed with ground-based experiments, particularly particle sampling arrays (PSAs), which are effective for observing TeV--PeV gamma rays by measuring secondary air shower particles on the ground. The data used in this thesis were obtained with the High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Observatory, one of the major PSA instruments. HAWC has an instantaneous field of view of approximately 2~sr, a duty cycle exceeding 95\%, and sensitivity to gamma rays from a few hundred GeV to several hundred TeV. These characteristics make HAWC well suited for long-term monitoring and population studies of VHE emission from LMMQs.

In this thesis, we analyze approximately 3,039 days of HAWC data to investigate VHE gamma-ray emission from LMMQs. Motivated by theoretical suggestions that black hole LMMQs in the low-hard state may emit VHE gamma rays, we selected target LMMQs based on their location and compact object type. As a result, we have selected five black hole LMMQs and conducted analyses by assuming all target LMMQs as point sources with a simple power law spectrum of index $2.5$: (i) we derive 90\% credible intervals (CIs) on the flux for each source using four quasi-differential bins and the full energy bin (1--100~TeV), and (ii) we search for gamma-ray excess by stacking the individual source likelihood profiles using the full energy bin. For the stacked analysis, we assume that gamma rays are produced via $p\gamma$ interactions and defined two physically motivated weighting factors used during the stacking step. The first scenario assumes that a fraction of the jet kinetic power $L_{\rm jet}$ is converted into gamma rays by a jet emission efficiency factor $\epsilon_\gamma$, and obtains the upper limit on this efficiency using the weighting factor $L_{\rm jet}/d^2$. The second scenario assumes that both gamma rays and neutrinos are produced in $p\gamma$ interactions, which lead to the relation $L_\nu = 3L_\gamma$. Using this relation together with a $1/d^2$ weighting factor, we set an upper limit on the all-flavor neutrino luminosity.

No statistically significant excess is observed in either the individual or stacked analyses. Therefore, 90\% CIs across all quasi-differential and the full energy ranges are reported. In the first scenario, the stacked flux limit is $1.28\times10^{-15}\,{\rm TeV^{-1}\,cm^{-2}\,s^{-1}}$, implying a gamma-ray emission efficiency of $\epsilon_\gamma \lesssim 7.7\times10^{-6}$. In the second scenario, the stacked flux limit at 7~TeV is $1.21\times10^{-15}\,{\rm TeV^{-1}\,cm^{-2}\,s^{-1}}$, corresponding to an all-flavor neutrino luminosity limit of $L_\nu \lesssim 2.17\times10^{32}\,{\rm TeV\,s^{-1}}$ at 3.5~TeV.

This thesis provides constraints on VHE gamma-ray emission by treating LMMQs as a single source class and serves as a useful basis for future multi-wavelength and multi-messenger investigations of particle acceleration and radiation processes in these systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Messengers 1
• 1.1.1 Gravitational Waves 1
• 1.1.2 Neutrinos 4
• 1.1.3 Cosmic Rays 7
• 1.1.4 Electromagnetic Waves 10
• 1.2 Gamma Rays 12
• 1.2.1 Leptonic Scenarios 12
• 1.2.2 Hadronic Scenarios 14
• 1.2.3 Photon–Photon (γγ) Absorption 17
• 1.3 Gamma-ray Sources 20
• 1.4 Microquasars 21
• 2. Gamma-ray Detectors 25
• 2.1 Gamma-ray Detection Methods 25
• 2.1.1 Space-based Detectors 25
• 2.1.2 Ground-based Detectors 26
• 2.2 HAWC Observatory 35
• 2.2.1 HAWC Overview 35
• 2.2.2 Data Analysis with HAWC 36
• 3. Study of Low-mass Microquasars 47
• 3.1 Gamma-ray Emission Mechanism of LMMQs 47
• 3.2 LMMQ Analysis 49
• 3.2.1 Source Selection 49
• 3.2.2 Data 50
• 3.2.3 Basic Assumptions 52
• 3.2.4 Individual Source Analysis 52
• 3.2.5 Stacked Analysis 54
• 3.3 Analysis Results 57
• 3.3.1 Individual Source Analysis 57
• 3.3.2 Stacked Analysis 57
• 3.3.3 Systematics 62
• 3.4 Conclusion and Discussion 66
• 4. Summary and Outlook 68
• Bibliography 72