[论文解读] A Tale of Two Pulsars and the Origin of TeV Gamma Rays from the Galactic Center

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文研究位于银河系中心附近的X射线脉冲星风星云G359.95–0.04是否能产生观测到的TeV伽马射线辐射。研究发现，由附近磁星SGR J1745-29暗示的约1 mG磁场会通过同步辐射损耗抑制TeV辐射，但若在距离Sgr A*约1 pc处磁场较弱（约0.08 mG），则可解释观测数据，因此若星云距离较远且磁场强度较低，Sgr A*更可能是辐射源。

ABSTRACT

The Galactic Center (GC) has been long known to host gamma-ray emission detected to >10 TeV. HESS data now points to two plausible origins: the supermassive black hole (perhaps with >PeV cosmic rays and neutrinos) or high-energy electrons from the putative X-ray pulsar wind nebula G359.95-0.04 observed by Chandra and NuSTAR. We show that if the magnetic field experienced by PWN electrons is near the several mG ambient field strength suggested by radio observations of the nearby GC magnetar SGR J1745-29, synchrotron losses constrain the TeV gamma-ray output to be far below the data. Accounting for the peculiar geometry of GC infrared emission, we also find that the requisite TeV flux could be reached if the PWN is ~1 pc from Sgr A* and the magnetic field is two orders of magnitude weaker, a scenario that we discuss in relation to recent data and theoretical developments. Otherwise, Sgr A* is left, which would then be a PeV link to other AGN.

研究动机与目标

• 确定脉冲星风星云G359.95–0.04是否能解释银河系中心观测到的TeV伽马射线辐射。
• 评估由附近磁星SGR J1745-29暗示的银河系中心磁场对同步辐射损耗及TeV伽马射线产生的影响。
• 评估星云与Sgr A*的距离及其磁场强度是否能与观测到的X射线和TeV伽马射线通量相协调。
• 探讨Sgr A*作为PeV宇宙射线和高能中微子源的潜在意义，尤其结合IceCube观测数据。
• 检验星云特性与粒子加速模型的一致性，并结合近期高能观测结果进行评估。

提出的方法

• 通过银河系中心光子场中的相对论性电子/正电子逆康普顿散射建模TeV伽马射线产生过程。
• 对星云采用空间变化的磁场模型，磁场强度从中心值（约1 mG）衰减至距离Sgr A*约1 pc处的约0.08 mG。
• 利用Chandra和NuSTAR观测到的X射线光度和能谱形状，约束电子/正电子的注入谱形与通量。
• 结合高分辨率银河系中心红外光子场观测，计算能量依赖的逆康普顿截面。
• 通过比较不同磁场和距离假设下的同步辐射损耗与逆康普顿辐射，评估TeV通量。
• 通过与Fermi-LAT GeV数据及IceCube中微子观测结果的一致性，约束其他可能模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 若磁场强度如磁星SGR J1745-29所暗示的约为1 mG，脉冲星风星云G359.95–0.04能否产生观测到的TeV伽马射线通量？
• RQ2 为在满足X射线和同步辐射损耗约束的前提下产生观测到的TeV通量，星云需处于何种距离和磁场强度？
• RQ3 银河系中心红外光子场的各向异性如何影响通过逆康普顿散射产生的TeV伽马射线效率？
• RQ4 若磁场显著弱于周围约1 mG的环境磁场，星云模型是否仍可行？这对其起源与位置有何含义？
• RQ5 银河系中心的TeV伽马射线辐射是否指向Sgr A*为辐射源，尤其结合IceCube的PeV中微子事件？

主要发现

• 由磁星SGR J1745-29暗示的约1 mG磁场会导致同步辐射冷却时间过短，从而抑制TeV伽马射线产生，因此在此条件下G359.95–0.04作为TeV辐射源极不可能。
• 若星云位于距离Sgr A*约1 pc处，且磁场强度约为0.08 mG，则在适当调制电子/正电子谱形与注入光度的前提下，可重现观测到的TeV伽马射线通量。
• 只有当星云足够远以使周围光子场密度较高，但又不至于使磁场强度降至约0.05 mG以下时，才能实现TeV光度与X射线光度之比（L_TeV / L_keV ~ 10）的观测值。
• 当星云距离Sgr A*约1 pc且磁场强度比磁星所暗示的环境场弱两个数量级时，模型预测的TeV通量才与HESS观测结果一致。
• 星云缺乏脉动信号，且其投影位置与Sgr A*存在偏移，暗示其可能并非物理关联，从而削弱其作为TeV辐射源的合理性。
• 若Sgr A*为辐射源，则意味着其具备PeV宇宙射线加速能力，将银河系中心与高能中微子产生联系起来，为类星体AGN的河外源提供了关键关联。