[论文解读] Characterizing the population of pulsars in the inner Galaxy with the Fermi Large Area Telescope

M. Ajello|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 32

一句话总结

本文研究了银河系内晕区域中未解析的伽马射线脉冲星群体是否能解释长期以来在银河系中心观测到的高能辐射过量。利用7.5年的Fermi-LAT数据和两种星际发射模型，作者通过光谱能量分布（SED）标准识别出66个脉冲星候选体——具体为光子指数 < 2，能量截止 < 10 GeV，曲率参数 > 9——为银河系中心过量辐射的脉冲星解释提供了强有力支持。

ABSTRACT

An excess of $γ$-ray emission from the Galactic Center (GC) region with respect to predictions based on a variety of interstellar emission models and $γ$-ray source catalogs has been found by many groups using data from the {\it Fermi} Large Area Telescope (LAT). Several interpretations of this excess have been invoked. In this paper we search for members of an unresolved population of $γ$-ray pulsars located in the inner Galaxy that are predicted by the interpretation of the GC excess as being due to a population of such sources. We use cataloged LAT sources to derive criteria that efficiently select pulsars with very small contamination from blazars. We search for point sources in the inner $40^\circ imes40^\circ$ region of the Galaxy, derive a list of approximately 400 sources, and apply pulsar selection criteria to extract pulsar candidates among our source list. We performed the entire data analysis chain with two different interstellar emission models (IEMs), and found a total of 135 pulsar candidates, of which 66 were selected with both IEMs.

研究动机与目标

• 检验假设：银河系中心未解的伽马射线过量辐射源自一个未解析的脉冲星群体。
• 利用Fermi-LAT数据，在银河系内40°×40°区域识别并表征潜在的脉冲星候选体。
• 开发并应用稳健的光谱选择标准，以最小化污染，可靠地区分脉冲星与耀变体。
• 约束银河系核球脉冲星的总数量及其亮度分布，以解释观测到的过量辐射。

提出的方法

• 在0.3–500 GeV能量范围内，分析了覆盖银河系中心区域的40°×40°区域的7.5年Pass 8 Fermi-LAT数据。
• 使用两种独立的星际发射模型（IEMs）来建模弥漫背景，并分离点源。
• 从银河系内晕区域构建了约400个点源的初始列表，由于积分时间更长，其数量超过以往星表。
• 采用幂律加指数截止（PLE）模型进行光谱能量分布（SED）拟合，以区分脉冲星与耀变体。
• 定义选择标准：光子指数（Γ）< 2，能量截止（Ecut）< 10 GeV，曲率参数（TSPLE_curv）> 9，基于已知脉冲星与耀变体之间SED差异。
• 通过两种IEM验证结果，并在不同模型间交叉检查一致性，以确保候选体选择的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未解析的伽马射线脉冲星群体能否解释银河系中心观测到的过量辐射？
• RQ2 在Fermi-LAT能量范围内，哪些光谱特征能可靠地区分脉冲星与耀变体？
• RQ3 利用当前数据与建模方法，可在银河系内晕区域识别出多少脉冲星候选体？
• RQ4 为重现观测到的银河系中心过量辐射，脉冲星群体所需的光度与空间分布为何种形式？
• RQ5 当改变星际发射模型假设时，结果的稳健性如何？

主要发现

• 在两种星际发射模型下，共识别出135个脉冲星候选体，其中66个被两种模型同时选中。
• 光谱标准（Γ < 2，Ecut < 10 GeV，TSPLE_curv > 9）成功筛选出具有脉冲星特征的源，已知伽马射线脉冲星中82%满足这些条件，而耀变体中仅9%满足。
• 3FGL星表中具有曲率SED的未关联源数量暗示银河系盘面脉冲星群体规模在4,000至16,000个之间。
• 对银河系核球脉冲星群体的建模表明，需存在800至3,600个源，其光度在10^33至10^36 erg s⁻¹之间，才能重现观测到的过量辐射。
• 模拟的核球脉冲星群体的能量谱和银纬分布轮廓与Calore等人（2015年）及Ackermann等人（2017年）报告的观测结果高度一致。
• 结果在两种独立的星际发射模型下均保持稳健，增强了候选体选择与脉冲星解释的可信度。