THE SEARCH FOR X-RAY EMISSION FROM AN ELECTRON/POSITRON PAIR HALO USING XMM-NEWTON OBSERVATORY

Abstract

The electron/positron pair halo is a physical phenomenon formed by electromagnetic cascades. It initiates when the very high energy gamma-rays emitted from Blazar interact with cosmic infrared background (CIB), to produce electron/positron pairs; the produced electron/positron pairs could up-scatter the cosmic microwave background (CMB) reproducing the gamma-rays. Thus, the cascade process of producing the electron/positron pairs appear as a halo around the central blazar. Indeed, given the presence of the ambient intergalactic magnetic field, the electron/positron pairs could emit X-ray light via synchrotron process providing another opportunity to detect the halo. In this research, we search for the X-ray emission from the halo of the candidate source - Blazar H1426+428 - using the observed X-ray data from XMM-Newton observatory. The Monte Carlo simulation was adopted to compute the X-ray Spectral Energy Distributions (SEDs) in order to predict the X-ray emission of the Blazar H1426+428’s pair halo, and used these SEDs as a source model for simulating the spectra of the halo virtually observed by XMM-Newton. The results of the X-ray SEDs of H1426+428 suggest that the region that could provide the best opportunity to detect electron/positron pair halos is the outer region of the XMM-Newton’s field of view. After that, we extracted X-ray spectra of the halo from the annulus, source-free regions around the Blazar, following the best halo detecting area suggested by previous simulated results. The X-ray contaminations from the Blazar and the point sources in the field were also excluded during this step. The extracted spectra were fitted using the physical model which took into account the emissions from the known cosmic X-ray emissions and instrument background. The unresolved flux of 10-13 erg/cm2/s1 were detected in the analyzed regions, and it was argued that, at least, some fraction of the flux might be emissions from the pair halo.

รัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพสิตรอนเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ปลดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงออกมาแล้วเกิดอันตรกิริยากับรังสีอินฟราเรดพื้นหลังจนเกิดกระบวนการผลิตคู่ให้อนุภาคอิเล็กตรอน/โพสิตรอนที่มีพลังงานสูง และเมื่ออนุภาคดังกล่าวเกิดอันตรกิริยากับรังสีไมโครเวฟพื้นหลังจะเกิดการถ่ายเทพลังงานจากอนุภาคอิเล็กตรอน/โพสิตรอนไปยังโฟตอน ทำให้เกิดเป็นรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงเกิดกระบวนการผลิตคู่อีกครั้ง กระบวนการดังกล่าวจะเกิดขึ้นต่อเนื่องกันไปเรื่อยๆ จนกระทั่งรังสีแกมมาที่ได้มีพลังงานไม่เพียงพอต่อการเกิดอันตรกิริยากับรังสีพื้นหลังอินฟราเรด กระบวนการนี้จึงจะสิ้นสุดลง คู่อิเล็กตรอน/ โพสิตรอนที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง มีลักษณะการแจงแจกเหมือนกันในทุกทิศทาง และเป็นวงโค้งหากปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็กที่กระจายตัวอยู่ระหว่างดาราจักรที่มีความเข้มเพียงพอ ทำให้เกิดปรากฏการณ์การแผ่รังสีซินโครตรอนรังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งถือว่าเป็นอีกช่องทางหนึ่งในการตรวจสอบหารัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอน งานวิจัยชิ้นนี้จึงได้ทำการค้นหาหลักฐานในการเกิดรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพสิตรอน ในย่านรังสีเอกซ์ของแหล่งกำเนิดเบลซาร์ H1426+428 โดยใช้ข้อมูลจากการสังเกตการณ์จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเอกซ์เอ็มเอ็มนิวตัน (Archive data) ในงานวิจัยนี้ได้ทำการคำนวณการแจกแจงพลังงานของการเกิดรัศมีอิเล็กตรอน/โพสิตรอนในย่านรังสีเอกซ์ (The X-ray Spectral Energy Distributions) เพื่อประมาณค่าการเกิดรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพสิตรอนจากแหล่งกำเนิด H1426+428 และนำการแจกแจงพลังงานดังกล่าวไปเป็นแบบจำลองเพื่อทำการสร้างแบบจำลองเสมือนของรังสีเอกซ์ที่คาดว่าจะค้นพบการเกิดรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอนจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเอกซ์เอ็มเอ็มนิวตัน ผลจากการศึกษาแบบจำลองพลังงานของรังสีเอกซ์จากรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอนพบว่าบริเวณที่เหมาะสมสำหรับการตรวจสอบหารัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอนคือบริเวณตรงกลาง (รัศมีเชิงมุม 0.133 – 0.200 องศา) ของขอบเขตภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเอกซ์เอ็มเอ็มนิวตัน หลังจากนั้นได้ทำการสร้างสเปกตรัมจากการใช้ข้อมูลรังสีเอกซ์จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเอกซ์เอ็มเอ็มนิวตันโดยการแบ่งพื้นที่ออกเป็นวงตามพื้นที่จากแบบจำลองพลังงานของรังสีเอกซ์จากรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอนเพื่อหลีกเลี่ยงฟลักซ์ของรังสีเอกซ์จากแหล่งกำเนิดเบลซาร์ H1426+428 และจากแหล่งกำเนิดเบลซาร์ที่อยู่ใกล้เคียง ผลการวิเคราะห์สเปกตรัมจากแหล่งกำเนิดเบลซาร์ H1426+428 โดยใช้แบบจำลองทางฟิสิกส์พบว่าสเปกตรัมของรัสีเอกซ์ที่ได้ประกอบไปด้วยรังสีคอสมิคที่ทราบแหล่งกำเนิดที่แน่ชัด (The known cosmic X-ray emissions) และรังสีคอสมิคที่เกิดจากกล้องโทรรทรรศน์อวกาศ (The instrument backgrounds) นอกเหนือจากนั้นบริเวณดังกล่าวยังมีรังสีคอสมิคส่วนเกินประมาณ 10-13 erg/cm2/s1 ซึ่งเราพิจารณาฟลักซ์ดังกล่าวเป็นฟลักซ์ที่อาจเกิดจากรัศมีคู่อิเล็กตรอน/โพซิตรอน