[论文解读] Beacons at the Gamma Ray Horizon

K. Mannheim, S. Westerhoff+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文利用质子耀变体模型预测了15个近邻耀变体（z < 0.1）的高能伽马射线通量，同时考虑了内部吸收（来自同步辐射光子）和宇宙吸收（来自河外红外背景）。研究发现，由于内部吸收，理论能谱在TeV以上显著变陡（光子指数 ~3）；若宇宙吸收不强，HEGRA可通过改进的伽马/强子分离技术探测到这些源。

ABSTRACT

Blazars with redshifts z&lt;0.1 are likely candidates for detection at energies in the range 300 GeV - 50 TeV with Cerenkov telescopes and scintillator arrays. We present gamma-ray flux predictions for a sample of 15 nearby flat-spectrum radio sources fitting the proton blazar model of Mannheim (1993a) to their observed broad-band spectral energy distributions. At high energies, we use fluxes or flux limits measured by ROSAT, CGRO and the Whipple Observatory to constrain their spectra. We take into account absorption of the gamma-rays by pair production with low energy photons of the diffuse infrared-to-optical photon background produced by galaxies (cosmic absorption) and with low energy synchrotron photons of the blazar radiation field (internal absorption). Typically, the theoretical spectra decrease much faster above TeV (photon index s~3) than between GeV and TeV (s~2) owing to internal absorption. The predicted fluxes are confronted with flux limits in the 20-50 TeV energy range obtained by the High Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA) experiment. Without cosmic absorption, the fluxes are about equal to the current sensitivity of HEGRA. Improved gamma/hadron separation techniques could render a detection by HEGRA possible, if cosmic absorption by the far-infrared background at wavelengths ~100 mu is not exceedingly strong.

研究动机与目标

• 使用质子耀变体模型对近邻平光谱射电类星体的高能伽马射线发射进行建模。
• 利用ROSAT、CGRO和Whipple天文台的多波段数据，约束这些源的本征伽马射线能谱。
• 评估耀变体自身同步辐射产生的内部吸收（来自河外红外至光学背景）对观测通量的影响。
• 测试HEGRA实验在20–50 TeV能量范围探测这些源的可能性。
• 在现实吸收条件和改进的粒子分离技术下，评估HEGRA对这些源的灵敏度。

提出的方法

• 将Mannheim (1993a) 的质子耀变体模型拟合至15个近邻平光谱射电源的宽波段谱能分布。
• 利用ROSAT、CGRO和Whipple天文台的通量或通量上限，约束GeV以上能量区间的高能谱形。
• 应用辐射转移模型，计算伽马射线通过与河外背景光（EBL）及耀变体自身同步辐射的低能光子发生对产生过程的吸收。
• 计算从300 GeV到50 TeV能量区间的预期伽马射线通量，包含内部和宇宙吸收效应。
• 将理论通量预测与HEGRA在20–50 TeV范围的通量上限进行比较，以评估可探测性。
• 评估HEGRA在改进伽马/强子分离技术下的潜在探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑内部和宇宙吸收的情况下，近邻耀变体（z < 0.1）的预测高能伽马射线通量是多少？
• RQ2 耀变体自身同步辐射引起的内部吸收如何影响1 TeV以上能量区间的能谱形状？
• RQ3 河外红外至光学背景在多大程度上抑制了这些源的高能伽马射线？
• RQ4 若宇宙吸收较弱且伽马/强子分离技术得到改进，HEGRA实验能否探测到这些源？
• RQ5 在不同吸收情景下，HEGRA的观测通量上限与理论预测相比如何？

主要发现

• 这15个耀变体的理论伽马射线能谱在1 TeV以上显著变陡，光子指数达到 s ~ 3，这是由于耀变体自身同步辐射引起的内部吸收所致。
• 若无宇宙吸收，预测通量与HEGRA实验在20–50 TeV能量范围的当前灵敏度阈值相当。
• 远红外背景（~100 μm）引起的宇宙吸收可能显著抑制通量；若吸收强烈，将导致HEGRA无法探测到这些源。
• 若宇宙吸收不严重，HEGRA中改进的伽马/强子分离技术可实现对这些源的探测。
• 只有当宇宙吸收微弱或不存在时，HEGRA的观测通量上限才与理论预测一致。
• 该模型预测，在GeV至TeV能量区间存在能谱硬化（s ~ 2），而在TeV以上由于内部吸收机制，能谱急剧变陡。