[论文解读] Monitoring TeV blazars with HAWC

R. Lauer, Patrick Younk|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文展示了HAWC观测站在2013年6月至2014年7月期间，使用部分阵列对TeV耀变体Markarian 421和501的首次观测结果。HAWC的观测占空比约为90%，实现了56个时间区间的每周通量测量，检测到与X射线耀发同步的显著伽马射线变异性，证明了水契伦科夫探测器在无偏见、长期监测VHE耀变体变异性方面的能力。

ABSTRACT

The recently completed High Altitude Water Cherenkov (HAWC) gamma-ray observatory has been taking data with a partial array for more than one year and is now operating with >95% duty cycle in its full configuration. With an instantaneous field of view of 2 sr, two-thirds of the sky is surveyed every day at gamma-ray energies between approximately 100 GeV and 100 TeV. Any source location in the field of view can be monitored each day, with an exposure of up to $\sim$ 6 hours. These unprecedented observational capabilities allow us to continuously scan the highly variable extra-galactic gamma-ray sky. By monitoring the flaring behavior of Active Galactic Nuclei we aim to significantly increase the observational data base for characterizing particle acceleration mechanisms in these sources and for studying cosmological properties like the extra-galactic background light. In this work we present first studies of data taken between June 2013 and July 2014 with a partial array configuration. Flux light curves, binned in week-long intervals, for the TeV-emitting blazars Markarian 421 and 501 are discussed with respect to indications of flaring states and we highlight coincident multi-wavelength observations. Results for both sources show indications of gamma-ray flare observations and demonstrate that a water Cherenkov detector can monitor TeV-scale variability of extra-galactic sources on weekly time scales. The analysis methods presented here can provide daily flux measurements with a minimum time interval of one transit and will be applied to new data from the completed HAWC array for monitoring of blazars and other transients.

研究动机与目标

• 通过高占空比伽马射线观测站，实现对高度变异性TeV耀变体的无偏见、长期监测。
• 通过持续监测耀发活动，表征耀变体中的粒子加速机制。
• 通过VHE伽马射线观测，研究星系际背景光和星系际磁场等宇宙学性质。
• 证明水契伦科夫探测器可实现对暂现源的每周通量测量。
• 为未来利用完整HAWC阵列对耀变体及其他暂现源进行高灵敏度监测奠定基础。

提出的方法

• HAWC利用位于海拔4,100米处的300个水契伦科夫探测器，探测TeV伽马射线引发的广延空气簇射所产生的契伦科夫光。
• 通过光电倍增管（PMT）信号幅度和到达时间重建事件，确定簇射方向和大小，并应用筛选条件以减少强子背景。
• 采用基于似然的分析技术，在56个时间区间内计算每周通量测量值，时间区间划分基于每个事件中有效PMT的比例。
• 采用固定谱指数s=2.8且无截断（c=∞）的假设，为Markarian 421和501生成通量光 light curves，假设其符合典型的VHE源行为。
• 使用基于穿越时间的区间作为最小积分尺度，通过源的赤纬简化对天顶角的依赖性。
• 利用Swift/BAT、XRT、FACT和H.E.S.S.的多波段同时观测数据，为HAWC通量测量提供上下文信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 像HAWC这样的水契伦科夫探测器能否成功实现对高占空比TeV耀变体的每周通量变异性监测？
• RQ2 HAWC观测到的Mrk 421和Mrk 501通量增强是否与其它仪器观测到的已知X射线耀发同步？
• RQ3 观测到的HAWC通量变异性在统计上是否显著，还是可能仅由随机涨落引起？
• RQ4 考虑到其积分窗口，HAWC能否在每周积分中检测到短 timescale 壅塞（例如小时级）耀发？
• RQ5 HAWC在探测仅限于TeV能量、与低能辐射无关的“孤儿”耀发方面具有何种潜力？

主要发现

• HAWC在2013年7月的一周内检测到Mrk 421的显著通量增强，该事件与Swift/BAT在MJD 56495观测到的硬X射线耀发同步。
• 在56个时间区间下，最高HAWC通量测量值为统计涨落的概率为1.9×10⁻⁴（3.7σ显著性）。
• 在FACT和H.E.S.S.于MJD 56832观测到的已知Mrk 501小时 timescale 壅塞期间，HAWC数据中未观测到显著通量增强，可能由于每周平均化及观测窗口不重叠所致。
• Mrk 421和Mrk 501的通量光 light curves 均显示出清晰的周 timescale 变异性迹象，证实了HAWC在长期监测方面的能力。
• 该分析表明，水契伦科夫探测器可提供无偏见、高占空比的VHE耀变体变异性监测，为未来研究耀发频率和孤儿耀发奠定基础。
• 结果为未来利用完整HAWC阵列进行高灵敏度监测奠定了基础，可实现更短的积分时间并降低通量不确定性。