[论文解读] VHE observations of the gamma-ray binary system LS 5039 with H.E.S.S

C. Mariaud, P. Bordas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究利用2006年至2015年H.E.S.S.第一阶段和第二阶段的104小时观测数据，首次在伽马射线双星系统LS 5039中实现了Fermi-LAT（GeV）与H.E.S.S.（TeV）观测之间的能量谱重叠。研究证实了通量和谱硬化的轨道调制现象，其中在下合点处TeV谱出现硬化，谱指数为Γ = 2.20 ± 0.03，同时首次在该类系统中确立了120 GeV的能量阈值，从而实现了与卫星数据的直接比较。

ABSTRACT

LS 5039 is a gamma-ray binary system observed in a broad energy range, from radio to TeV energies. The binary system exhibits both flux and spectral modulation as a function of its orbital period. The X-ray and very-high-energy (VHE, E > 100 GeV) gamma-ray fluxes display a maximum/minimum at inferior/superior conjunction, with spectra becoming respectively harder/softer, a behaviour that is completely reversed in the high-energy domain (HE, 0.1 < E < 100 GeV). The HE spectrum cuts off at a few GeV, with a new hard component emerging at E > 10 GeV that is compatible with the low-energy tail of the TeV emission. The low 10 - 100 GeV flux, however, makes the HE and VHE components difficult to reconcile with a scenario including emission from only a single particle population. We report on new observations of LS 5039 conducted with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) telescopes from 2006 to 2015. This new data set enables for an unprecedentedly-deep phase-folded coverage of the source at TeV energies, as well as an extension of the VHE spectral range down to ~120 GeV, which makes LS 5039 the first gamma-ray binary system in which a spectral overlap between satellite and ground-based gamma-ray observatories is obtained.

研究动机与目标

• 研究LS 5039在极高能（VHE，>100 GeV）下的长期变异性与谱演化，时间基线为8年。
• 首次在伽马射线双星系统中实现Fermi-LAT（GeV）与H.E.S.S.（TeV）观测之间的能量谱重叠。
• 通过使用新型CT5单镜筒模式将VHE谱特征化至120 GeV，以检验多波段辐射模型。
• 探究VHE与HE谱硬化的反相关性成因，暗示可能存在不同的辐射区域或粒子群体。

提出的方法

• 利用2006年至2012年H.E.S.S.第一阶段的104小时数据构建相位折叠光 light curves，采用改进的背景抑制与能量重建方法。
• 第一阶段采用环形背景减法方法，第二阶段在CT5单镜筒模式下采用反射背景方法。
• 利用幂律模型拟合H.E.S.S.第一阶段与第二阶段数据的联合结果，重建能谱分布（SED），能量阈值约为120 GeV。
• 对2006年以前的数据进行重新处理，使用更新的软件以确保整个8年数据集的一致性。
• 将Takata等人（2014）提供的Fermi-LAT谱点与H.E.S.S.数据交叉匹配，以实现GeV至TeV能量范围的重叠。
• 利用邻近源HESS J1825–139作为校准参考，验证显著性图与背景归一化结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用同时期的H.E.S.S.与Fermi-LAT数据，在GeV与TeV能量范围内为LS 5039构建一致的谱能分布（SED）？
• RQ2 LS 5039的VHE伽马射线通量与谱硬度如何随轨道相位变化？这种调制在8年时间尺度上是否稳定？
• RQ3 在使用新型CT5单镜筒模式时，LS 5039的VHE谱分析可达到的最低能量阈值是多少？
• RQ4 观测到的VHE与HE谱行为在多大程度上与单一粒子群体辐射模型相矛盾？
• RQ5 观测到的VHE与HE谱硬度之间的反相关性，能否通过双星几何结构中的逆康普顿与对产生截面效应加以解释？

主要发现

• LS 5039的VHE伽马射线通量表现出强烈的轨道调制，峰值出现在下合点（INFC），最小值出现在上合点（SUPC），该现象在8年观测中得到确认。
• TeV能量区间的谱指数测量结果为Γ = 2.20 ± 0.03，与H.E.S.S.第一阶段和第二阶段的数据集结果一致。
• H.E.S.S.第二阶段分析实现了约120 GeV的能谱阈值，首次在伽马射线双星系统中实现了与Fermi-LAT观测的直接谱重叠。
• H.E.S.S.第二阶段谱在误差范围内与Fermi-LAT在约100 GeV处测得的通量一致，证实了仪器间的一致性。
• 观测到的VHE与HE谱硬度之间的反相关性——即在INFC处TeV能量区谱更硬、HE能量区谱更软——无法用单一粒子群体模型解释。
• TeV能段存在硬谱成分，且HE谱在数GeV能量处出现截断，提示可能存在多个辐射组分或不同的粒子群体。