[论文解读] Detection of sub-100 GeV gamma-ray pulsations from PSR B1706-44 with H.E.S.S

Marion Spir-Jacob, A. Djannati-Ataı̈+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本论文报告了利用H.E.S.S. II CT5望远镜进行28.3小时单镜面观测，首次在地基探测到来自PSR B1706−44的亚100 GeV伽马射线脉动。脉动谱指数约为−3.8，与Fermi-LAT在10 GeV以上的数据一致，但统计量不足，无法确认谱形曲率或截断特征。

ABSTRACT

We report on the detection of pulsations from PSR B1706-44 based on 28.3 hours of observations with the H.E.S.S. II array with CT5 in monoscopic mode. The lightcurve is similar to that obtained with the Fermi-LAT above 15 GeV and the pulsations exhibit a steep spectrum with index ~ -3.8 in the sub 20 GeV to sub-100 GeV energy range. While a significant signal of ~ 1000 events is detected at energies ~ 70 GeV, it is not possible to either confirm or rule out a power-law behaviour of PSR B1706-44 spectrum in this range.

研究动机与目标

• 使用地基切伦科夫望远镜在亚100 GeV能量范围内探测PSR B1706−44的高能伽马射线脉动。
• 弥合卫星探测器Fermi-LAT与甚高能（VHE）仪器如H.E.S.S.在100 GeV以上的能量间隙。
• 研究PSR B1706−44在10 GeV以上的谱形，特别是其是否表现出曲率或截断特征。
• 将H.E.S.S.的脉动光 lightcurve 和谱特性与Fermi-LAT及以往脉星探测结果（如Vela、Crab）进行比较。

提出的方法

• 利用H.E.S.S. II CT5望远镜的单镜面观测模式，实现低于20 GeV的能量阈值。
• 采用基于蒙特卡罗模拟和真实数据训练的提升决策树（BDT）方法，以区分伽马射线簇射与强子背景。
• 使用Fermi-LAT与Parkes射电定时数据联合星历表，通过Tempo2软件进行相位折叠。
• 采用最大似然比检验评估信号显著性，ON/OFF相位基于Fermi-LAT相位图定义。
• 利用基于大量蒙特卡罗模拟生成的仪器响应函数（IRFs），开展前向折叠谱分析。
• 能量重建校准采用+5%的能量标度不确定度，相较于先前的+8%，依据LAT对电子谱的重新校准结果更新。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用地基切伦科夫望远镜探测到PSR B1706−44的亚100 GeV伽马射线脉动？
• RQ2 在10 GeV以上能量范围内，H.E.S.S. II-CT5与Fermi-LAT对PSR B1706−44的谱指数比较如何？
• RQ3 在当前数据质量下，20–100 GeV能量范围内是否存在谱形曲率或截断的证据？
• RQ4 H.E.S.S. II-CT5的脉动光曲线是否与Fermi-LAT在15 GeV以上观测到的相位锁定行为一致？
• RQ5 54–225 GeV能量区间显示2.5σ超额，包含2782个事例，其显著性如何？

主要发现

• 通过28.3小时的H.E.S.S. II-CT5单镜面观测，成功探测到PSR B1706−44的显著脉动信号，标志着第四例地基脉星探测。
• H.E.S.S. II-CT5测得的脉动谱在20 GeV处的幂律指数为Γ_HESS = 3.76 ± 0.36（统计误差），与Fermi-LAT在10 GeV以上测得的指数Γ_LAT = 3.9 ± 0.1一致。
• 54–225 GeV能量区间显示2.5σ超额，共2782个事例，但能量重建存在偏差，平均能量估计为62.7 GeV，标准差为37 GeV。
• H.E.S.S.的谱能量分布（SED）置信区间以62.7 GeV为中心，包含+5%能量标度修正的系统误差。
• 由于信噪比较低且统计量不足，未检测到显著的谱形曲率，无法确认截断或抛物线形状。
• H.E.S.S. II-CT5的相位锁定光曲线与Fermi-LAT在15 GeV以上的光曲线一致，P2为主要峰值，与Vela和Crab脉星行为相似。