[论文解读] Are most of the VHE gamma-ray unidentified sources relic PWNe?

O. Tibolla, M. Vorster+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，大多数非常高能（VHE）伽马射线未识别源，尤其是缺乏低能对应物的‘暗源’，是古老演化脉冲星产生的遗迹脉冲星风星云（PWNe）。通过使用一种新的球对称膨胀PWNe中电子/正电子能谱的时变模型，该研究在多个明亮的H.E.S.S.源中为这一假说提供了有力支持，表明古老PWNe可解释VHE辐射而无需X射线或射电对应源，对宇宙射线起源及星暴星系中TeV辐射的解释具有重要意义。

ABSTRACT

The evolution of Pulsar Wind Nebulae (PWNe) plays a crucial role in interpreting the very high energy (VHE; > 10^11 eV) gamma-ray unidentified sources; and moreover it represents the only viable option to explain the discovery of several "dark sources" in the TeV gamma-ray (i.e. VHE gamma-ray sources without lower energies, radio or X-ray counterparts). The newest time-dependent modeling of PWNe presented in [1] and [2] has to be tested on a broader sample of young well-known PWNe and applied to the full-sample of "dark sources". The consequences of this interpretation go far beyond the interpretation of "dark sources": e.g. there could be strong implication in the origin of cosmic rays and (when considering a leptonic origin of the gamma-ray signal) they can be important for reinterpreting the detection of starburst galaxies in the TeV gamma-ray band.

研究动机与目标

• 测试绝大多数非常高能（VHE）伽马射线未识别源——尤其是无X射线或射电对应物的‘暗源’——是否可被解释为遗迹脉冲星风星云（PWNe）。
• 在更广泛的已知和候选PWN样本上验证一种新的Pulsar Wind Nebulae（PWNe）演化时变模型。
• 评估该模型是否能重现未识别VHE源的能谱分布（SED），特别是那些无明显低能对应物的源。
• 探讨该解释对宇宙射线起源以及星暴星系中观测到的TeV伽马射线辐射的含义。

提出的方法

• 本研究采用新开发的时变、空间无关模型，计算球对称膨胀PWNe中电子/正电子能谱的演化。
• 该模型应用于包含60个VHE伽马射线源的完整样本，涵盖已知PWN、PWN候选源以及来自H.E.S.S.银河系平面巡天的未识别VHE源。
• 将模型对能谱分布（SED）的预测与多波段数据进行比较，包括H.E.S.S.的VHE数据、Fermi-LAT的GeV数据，以及Suzaku和XMM-Newton的X射线上限数据。
• 模型考虑了通过逆康普顿散射和同步辐射造成的能量损失，电子冷却 timescales 对重现观测到的VHE辐射至关重要。
• 分析涵盖包含或不包含超新星遗迹壳层或分子云的源，以检验PWN解释在复杂环境中的稳健性。
• 在SED比较中考虑了通量尺度上的统计与系统误差（最高达30%），确保模型拟合的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变PWN模型能否成功重现未识别VHE伽马射线源的观测能谱分布（SED），特别是那些无X射线或射电对应物的源？
• RQ2 VHE波段中的‘暗源’，如HESS J1427-608、HESS J1507-622和HESS J1616-508，是否最可能被解释为来自演化脉冲星的遗迹脉冲星风星云？
• RQ3 该模型是否能拟合HESS J1702-420和HESS J1708-410的SED，而这两者此前因缺乏X射线发射而被认为与PWN起源不一致？
• RQ4 该模型能否解释与复杂区域（包括SNR W30和高自旋降耗脉冲星）相关的HESS J1804-216的VHE辐射，还是更倾向于支持强子起源？
• RQ5 PWNe中长寿命逆康普顿辐射电子群体的存在，对宇宙射线加速及星暴星系中TeV辐射的解释有何影响？

主要发现

• 时变PWN模型成功重现了HESS J1837-069的SED，该源拥有一个确认的70 ms脉冲星，支持其PWN起源。
• 该模型拟合了HESS J1616-508的SED，这是一个典型的‘暗源’，无X射线或射电对应物，表明其可能为古老PWN。
• 对于此前被认为不太可能是PWN的HESS J1702-420（因缺乏X射线发射），该模型表明古老PWN起源是合理的，挑战了早期的强子解释。
• 该模型未能重现HESS J1804-216的SED，表明PWN解释对该源可能性较低，可能由于强子过程或复杂环境所致。
• 研究发现，古老PWN假说可解释多个‘暗源’的VHE辐射，而无需依赖低能对应物，进一步支持了大量未识别VHE源为遗迹PWN的假设。
• 结果表明，遗迹PWN可能构成VHE伽马射线天空的重要组成部分，对宇宙射线加速机制及星暴星系中TeV辐射的解释具有重要意义。