[论文解读] A revisited study of the unidentified $\gamma$-ray emission towards the SNR Kes 41

L. Supán, G. Castelletti+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 38被引用 1

一句话总结

本研究利用9年的Fermi-LAT数据和更新的射电连续谱测量，重新评估了超新星遗迹Kes 41方向未识别GeV γ射线发射的起源。结果表明，相对论性电子的轫致辐射可与强子π介子衰变一样有效解释γ射线流量，两种模型均能拟合数据，且均要求加速粒子的总能量低于超新星能量预算的10%。

ABSTRACT

Kes 41 is among the Galactic supernova remnants (SNRs) proposed to be physically linked to $\gamma$-ray emission at GeV energies. Although not conclusively, the nature of the $\gamma$-ray photons has been explained by means of hadronic collisions of particles accelerated at the SNR blast wave with target protons in an adjacent molecular clump. We performed an analysis of Fermi-Large Area Telescope (LAT) data of about 9 years to assess the origin of the $\gamma$-ray emission. To investigate this matter we also used spectral modelling constraints from the physical properties of the interstellar medium towards the $\gamma$-ray emitting region along with a revised radio continuum spectrum of Kes 41 ($\alpha = -0.54 \pm 0.10$, $S\propto u^{\alpha}$). We demonstrated that the $\gamma$-ray fluxes in the GeV range can be explained through bremsstrahlung emission from electrons interacting with the surrounding medium. We also consider a model in which the emission is produced by pion-decay after hadronic collisions, and confirmed that this mechanism cannot be excluded.

研究动机与目标

• 利用扩展的Fermi-LAT数据重新评估Kes 41方向未识别GeV γ射线发射的起源。
• 评估轻子（轫致辐射）与强子（π介子衰变）机制在γ射线产生中的可行性。
• 结合来自射电、分子气和原子气观测的更新物理约束，以优化谱能分布建模。
• 确定观测到的γ射线流量是否可由超新星遗迹激波前的电子或质子加速来解释。

提出的方法

• 分析了2008年至2017年期间覆盖以3FGL J1838.6−4654为中心的10°能量兴趣区的9年Fermi-LAT数据。
• 利用修订后的射电连续谱（α = −0.54 ± 0.10）约束电子分布及同步辐射发射。
• 基于相对论性电子的轫致辐射和逆康普顿辐射构建轻子模型。
• 利用周围分子、原子和电离气体密度构建强子模型，以模拟π介子衰变产生的γ射线发射。
• 将模型的谱能分布（SED）与Fermi-LAT数据进行比较，通过能量指数和归一化参数拟合轻子与强子情景。
• 评估微分粒子比值˜Kep(E)，以评估电子与质子在发射过程中的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 相对论性电子与周围介质相互作用产生的轫致辐射能否解释Kes 41方向观测到的GeV γ射线流量？
• RQ2 在更新的谱和空间约束下，强子π介子衰变机制是否仍然可行？
• RQ3 每种模型所需的加速粒子总能量是多少？与超新星能量预算的10%基准值相比如何？
• RQ4 电子与质子的微分数目比˜Kep(E)如何影响轻子与强子组分的相对贡献？
• RQ5 逆康普顿散射能否解释GeV能量区间的γ射线发射？还是被谱模型所排除？

主要发现

• GeV能量区间的γ射线流量可由相对论性电子与周围介质相互作用产生的轫致辐射成功解释。
• 强子π介子衰变机制仍然可行，且未被数据排除，尽管其所需的能量输入高于轻子模型。
• 在轻子与强子模型中，加速粒子的总能量均低于10%的基准超新星能量预算。
• 加速质子的最大能量估计为(1.57 ± 0.56) × 10^49 erg，低于基准的10^50 erg值。
• 轻子模型所需的电子与质子微分数目比˜Kep(E)约为0.06，高于基准值约0.01，但由于能谱指数的变化，仍属合理。
• 对于单个源而言，假设~0.01的基准˜Kep值可能不成立，当前观测并未排除高达~1的值。