An efficient method for implementing image reconstruction algorithms for Compton cameras is presented. Since Compton scattering formula establishes a cone surface from which the incident photon must have originated, it is crucial to implement a computationally efficient cone-surface integration method for image reconstruction. In this paper we assume that a cone is made up of a series of ellipses (or circles) stacked up one on top of the other. In order to reduce computational burden for tracing ellipses formed by the intersection of a cone and an image plane, we propose a new method using a series of imaginary planes perpendicular to the cone axis so that each plane contains a circle, not an ellipse. In this case the cone surface integral can be performed by simply accumulating the circles along the cone axis. To reduce the computational cost of tracing circles, only one of the circles in the cone is traced and the rest are determined by using simple trigonometric ratios. For our experiments, we used the three different schemes for tracing ellipses; (i) using the samples generated by the ellipse equation, (ii) using the fixed number of samples along a circle on the imaginary plane, and (iii) using the fixed sampling interval along a circle on the imaginary plane. We then compared performance of the above three methods by applying them to the two reconstruction algorithms - the simple back-projection method and the expectation-maximization algorithm. The experimental results demonstrate that our proposed methods (ii) and (iii) using imaginary planes significantly improve reconstruction accuracy as well as computational efficiency.
We find evidence of a hard X-ray excess above the thermal emission in two cool clusters (Abell 1750 and IC 1262) and a soft excess in two hot clusters (Abell 754 and Abell 2163). Our modeling shows that the excess components in Abell 1750, IC 1262, and Abell 2163 are best fit by a steep power law indicative of a significant non-thermal component. In the case of Abell 754, the excess emission is thermal, 1 ke V emission. We analyze the dynamical state of each cluster and find evidence of an ongoing or recent merger in all four clusters. In the case of Abell 2163, the detected, steep spectrum, non-thermal X-ray emission is shown to be associated with the weak merger shock seen in the temperature map. However, this shock is not able to produce the flatter spectrum radio halo which we attribute to post-shock turbulence. In Abell 1750 and IC 1262, the shocked gas appears to be spatially correlated with non-thermal emission suggesting cosmic-ray acceleration at the shock front.
A redback system is a binary system composed of a pulsar and a main sequence star. The inverse Compton (IC) scattering between the stellar soft photons and the relativistic pulsar wind will generate orbital-modulating GeV photons. We look for these IC emissions from redback systems. A multi-wavelength observation of an unassociated gamma-ray source, 3FGL J2039.6-5618, by Salvetti et al. (2015) detected an orbital modulation with a period of 0.2 days in both X-ray and optical cases. They suggested 3FGL J2039.6-5618 to be a new redback candidate. We analyzed the gamma-ray emission of 3FGL J2039.6-5618 using the data from the Fermi large area telescope (Fermi-LAT) and obtained the spectrum in different orbital phases. We propose that the spectrum has orbital dependency and estimate the characteristic energy of the IC emission from the stellar-pulsar wind interaction.
Cosmological shock waves result from supersonic flow motions induced by hierarchical clustering during the large-scale structure formation in the Universe. Suprathermal particles are known to be produced via plasma interactions at collisionless shocks in tenuous plasmas and they can be further accelerated to become cosmic rays (CRs) via diffusive shock acceleration (DSA). The presence of CR electrons has been inferred from observations of diffuse radio halos and relics in some merging galaxy clusters. We have calculated the emissions from CR electrons accelerated at weak planar shocks, using time-dependent DSA simulations that include energy losses via synchrotron emission and Inverse Compton scattering. The simulated nonthermal emission are used to model the synchrotron emission from several observed radio relics.
Over the last few years, the data obtained using the Large Area Telescope (LAT) aboard the Fermi Gamma-ray Space Telescope has provided new insights on high-energy processes in globular clusters, particularly those involving compact objects such as MilliSecond Pulsars (MSPs). Gamma-ray emission in the 100 MeV to 10 GeV range has been detected from more than a dozen globular clusters in our galaxy, including 47 Tucanae and Terzan 5. Based on a sample of known gammaray globular clusters, the empirical relations between gamma-ray luminosity and properties of globular clusters such as their stellar encounter rate, metallicity, and possible optical and infrared photon energy densities, have been derived. The measured gamma-ray spectra are generally described by a power law with a cut-off at a few gigaelectronvolts. Together with the detection of pulsed γ-rays from two MSPs in two different globular clusters, such spectral signature lends support to the hypothesis that γ-rays from globular clusters represent collective curvature emission from magnetospheres of MSPs in the clusters. Alternative models, involving Inverse-Compton (IC) emission of relativistic electrons that are accelerated close to MSPs or pulsar wind nebula shocks, have also been suggested. Observations at >100 GeV by using Fermi/LAT and atmospheric Cherenkov telescopes such as H.E.S.S.-II, MAGIC-II, VERITAS, and CTA will help to settle some questions unanswered by current data.
We analyzed 0.5-45 keV data of NGC 3227 observed by Suzaku six times between 2008 October 28 and December 2. The count-count plot between the 0.5-3 keV and 3-10 keV bands exhibits a clear break, separating the data into bright and faint phases. Applying the difference spectrum method and time-averaged spectral fits to the phase data, we found the presence of two kinds of variable primary X-rays, (1) a hard primary component with ${\Gamma}{\sim}1.7$ dominating in the faint phase and (2) a soft primary continuum with ${\Gamma}{\sim}2.4$ appearing in the bright phase, both affected by partial absorption. Considering their timing and spectral characteristics, component (1) is presumably identical to a Compton continuum in the low/hard state, while component (2) may correspond to the hard tail emission in the high/soft state, or compact-jet emission. In that case, an accretion ow onto the central super massive black hole in NGC 3227 can be interpreted to include the two different states.
Pulsar Wind Nebula(PWN)는 radio부터 TeV band까지 넓은 파장에 걸쳐 복사를 하며 이 복사는 Spectral Energy Distribution(SED)으로 측정된다. 관측된 SED는 두 개의 주요한 bump를 보이는데 low-energy emission bump는 synchrotron radiation에 의해 만들어지고 high-energy emission bump는 inverse Compton scattering에 의해 만들어진다. 대부분 PWN들의 SED는 단일 전자 분포로 설명이 가능하지만 최근 연구 결과에 의하면 Crab nebula, G21.5-0.9 같은 일부 young pulsar wind nebula의 X-ray SED에서 단차나 기울기의 변화 등 단일 전자 분포로 설명하기 어려운 부분이 관측되기도 한다. 이런 PWN에 대하여 우리는 이중 전자 분포를 이용해서 broadband SED가 잘 설명이 되는지 확인하고 이를 통하여 PWN 입자 가속의 특성을 이해해보고자 한다.
We calculate the energy spectra of cosmic ray (CR) protons and electrons at a plane shock with quasi-parallel magnetic fields, using time-dependent, diffusive shock acceleration (DSA) simulations, including energy losses via synchrotron emission and Inverse Compton (IC) scattering. A thermal leakage injection model and a Bohm type diffusion coefficient are adopted. The electron spectrum at the shock becomes steady after the DSA energy gains balance the synchrotron/IC losses, and it cuts off at the equilibrium momentum $p_{eq}$. In the postshock region the cutoff momentum of the electron spectrum decreases with the distance from the shock due to the energy losses and the thickness of the spatial distribution of electrons scales as $p^{-1}$. Thus the slope of the downstream integrated spectrum steepens by one power of p for $p_{br}$ < p < $p_{eq}$, where the break momentum decreases with the shock age as $p_{br}\;{\infty}\;t^{-1}$. In a CR modified shock, both the proton and electron spectrum exhibit a concave curvature and deviate from the canonical test-particle power-law, and the upstream integrated electron spectrum could dominate over the downstream integrated spectrum near the cutoff momentum. Thus the spectral shape near the cutoff of X-ray synchrotron emission could reveal a signature of nonlinear DSA.
We explore the shock acceleration model for giant radio relics, in which relativistic electrons are accelerated via diffusive shock acceleration (DSA) by merger-driven shocks in the outskirts of galaxy clusters. In addition to DSA, turbulent acceleration by compressive MHD modes downstream of the shock are included as well as energy losses of postshock electrons due to Coulomb scattering, synchrotron emission, and inverse Compton scattering off the cosmic background radiation. Considering that only a small fraction of merging clusters host radio relics, we favor a reacceleration scenario in which radio relics are generated preferentially by shocks encountering the regions containing low-energy (${\gamma}_e{\leq}300$) cosmic ray electrons (CRe). We perform time-dependent DSA simulations of spherically expanding shocks with physical parameters relevant for the Sausage radio relic, and calculate the radio synchrotron emission from the accelerated CRe. We find that significant level of postshock turbulent acceleration is required in order to reproduce broad profiles of the observed radio flux densities of the Sausage relic. Moreover, the spectral curvature in the observed integrated radio spectrum can be explained, if the putative shock should have swept up and exited out of the preshock region of fossil CRe about 10 Myr ago.
The AKARI NEP Deep Field Survey is an international multiwavelength survey over $0.4deg^2$ of the sky. This is the deepest survey made by the InfraRed Camera (IRC) of the infrared astronomical satellite AKARI with 9 filters continuously covering the $2-25{\mu}m$ range, including three filters in the Spitzer gap between the IRAC and MIPS coverages. This enabled us to make sensitive MIR detection of AGN candidates at z~ 1, based on hot dust emission in the AGN torus. It is also efficient in detecting highly obscured Compton-thick AGN population. In this article, we report the first results of X-ray observations on this field. The field was covered by 15 overlapping Chandra ACIS-I observations with a total exposure of ~300 ks, detecting ${\approx}450$ X-ray sources. We utilize rest-frame stacking analysis of the MIR AGN candidates that are not detected individually. Our preliminary analysis shows a marginal detection of the rest-frame stacked Fe $k{\alpha}$ line from our strong Compton-thick candidates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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