[论文解读] An Ultrahigh-energy $γ$-ray Bubble Powered by a Super PeVatron

The LHAASO Collaboration, Cao, Z.+279 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

LHAASO 在天鹅座 X 区域探测到一个覆盖超过 100 deg² 的超高能（UHE）伽马射线泡状结构，其能量源自一个超级 PeVatron，可将质子加速至至少 10 PeV。该泡状结构的形态、能量谱（对数抛物线形式，Γ(E) = 2.71 ± 0.02 + 0.11 ± 0.02 × log₁₀(E/10 TeV)）以及在天鹅座 OB2 和天鹅座 X-3 附近集中出现的 PeV 伽马射线，最合理的解释是质子持续注入周围星际气体，其预测的中微子通量在十年内可被 IceCube 探测到。

ABSTRACT

We report the detection of a $γ$-ray bubble spanning at least 100$ m deg^2$ in ultra high energy (UHE) up to a few PeV in the direction of the star-forming region Cygnus X, implying the presence Super PeVatron(s) accelerating protons to at least 10 PeV. A log-parabola form with the photon index $Γ(E) = (2.71 \pm 0.02) + (0.11 \pm 0.02) imes \log_{10} (E/10 \ { m TeV})$ is found fitting the gamma-ray energy spectrum of the bubble well. UHE sources, `hot spots' correlated with very massive molecular clouds, and a quasi-spherical amorphous $γ$-ray emitter with a sharp central brightening are observed in the bubble. In the core of $\sim 0.5^{\circ}$, spatially associating with a region containing massive OB association (Cygnus OB2) and a microquasar (Cygnus X-3), as well as previously reported multi-TeV sources, an enhanced concentration of UHE $γ$-rays are observed with 2 photons at energies above 1 PeV. The general feature of the bubble, the morphology and the energy spectrum, are reasonably reproduced by the assumption of a particle accelerator in the core, continuously injecting protons into the ambient medium.

研究动机与目标

• 识别并表征天鹅座 X 星形成区域的超高能伽马射线辐射。
• 确定扩展的 UHE 伽马射线辐射的起源及其与大质量恒星结构的关联。
• 检验假设：天鹅座 X 区域核心存在一个超级 PeVatron，负责将质子加速至至少 10 PeV。
• 模拟泡状结构中强子相互作用产生的伽马射线与中微子辐射，并预测可探测的中微子信号。

提出的方法

• LHAASO 的 KM2A 和 WCDA 阵列收集了 3,200 个能量高于 100 TeV 的光子样事件，统计量比以往数据高出五倍。
• 能量谱通过一个对数抛物线函数拟合：Γ(E) = (2.71 ± 0.02) + (0.11 ± 0.02) × log₁₀(E/10 TeV)。
• 采用三维粒子输运模型，模拟质子从中心加速器注入周围中性氢（HI）气体，扩散系数满足 D(E) ∝ E¹ᐟ³。
• 模型假设质子注入谱为分段幂律形式：N(Eₚ) = N₀Eₚ⁻².²⁵(1 + Eₚ/30 TeV)⁻⁰·⁵exp(−Eₚ/10 PeV)。
• 利用 Kelner 等人提出的半解析方法估算中微子通量，假设振荡后为 1:1:1 的味比。
• 通过有效面积积分计算 IceCube 的探测灵敏度，以预测十年内可探测到的μ子中微子事件数。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座 X 区域的超高能伽马射线辐射在空间分布和能谱特性上呈现何种形态？
• RQ2 观测到的 UHE 伽马射线泡状结构是否可由中心粒子加速器引发的强子相互作用解释？
• RQ3 推测的超级 PeVatron 在何处，负责质子的加速？
• RQ4 相同强子相互作用产生的中微子通量预期为何值？该信号是否可被 IceCube 探测到？

主要发现

• 探测到一个覆盖超过 100 deg² 的伽马射线泡状结构，其能量谱通过一个对数抛物线函数拟合，10 TeV 处的光子指数为 2.71 ± 0.02，曲率参数为 0.11 ± 0.02。
• 在以天鹅座 OB2 为中心、半径 0.5° 的区域内，探测到两个能量高于 1 PeV 的光子，背景污染仅 0.07 个事件。
• 泡状结构的中心区域（与天鹅座 OB2 和天鹅座 X-3 重合）在 1° 半径范围内表现出 90% 的峰值强度，与中心加速器的假设一致。
• 模型将粒子加速器的位置约束在 KM2A 中心约 1° 范围内，支持其位于星暴区域核心的结论。
• 对于 IceCube 十年运行，模型预测整个泡状结构将产生 29 个能量高于 1 TeV 的μ子中微子事件，其中 39% 源自内半径 3° 的区域。
• 该泡状结构预测的（反）μ子中微子通量在 10 TeV 能量处比宇宙射线诱导的背景通量高出约 2 倍。