[论文解读] Detection of the Crab Pulsar with VERITAS above 100 GeV

A. McCann|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本论文报告了利用VERITAS切伦科夫望远镜阵列首次在100 GeV以上探测到蟹状脉冲星的调制伽马射线辐射。100 GeV以上的观测能谱最符合截断幂律谱模型，该结果排除了曲率辐射作为主要辐射机制的可能性，并表明辐射区域位于距离中子星超过10倍恒星半径处。

ABSTRACT

We discuss the recent detection of pulsed gamma-ray emission from the Crab Pulsar above 100 GeV with the VERITAS array of atmospheric Cherenkov telescopes. Gamma-ray emission at theses energies is not expected in present pulsar models. We find that the photon spectrum of pulsed emission between 100 MeV and 400 GeV can be described by a broken power law, and that it is statistically preferred over a power law with an exponential cut-off. In the VERITAS energy range the spectrum can be described with a simple power law with a spectral index of -3.8 and a flux normalization at 150 GeV that is equivalent to 1% of the Crab Nebula gamma-ray flux. The detection of pulsed emission above 100 GeV and the absence of an exponential cutoff rules out curvature radiation as the primary gamma-ray-producing mechanism. The pulse profile exhibits the characteristic two pulses of the Crab Pulsar at phases 0.0 and 0.4, albeit 2-3 times narrower than below 10 GeV. The narrowing can be interpreted as a tapered particle acceleration region in the magnetosphere. Our findings require that the emission region of the observed gamma rays be beyond 10 stellar radii from the neutron star.

研究动机与目标

• 在标准脉冲星模型预测存在陡峭指数截断的100 GeV以上能量范围内，探测蟹状脉冲星的调制伽马射线辐射。
• 检验曲率辐射是否为高能脉冲星中主导伽马射线辐射机制的有效性。
• 通过分析能谱和脉冲轮廓特征，约束辐射区域的几何结构与位置。
• 解决10 GeV以上观测通量与指数截断模型预测之间的差异。
• 确定1 GeV以上能谱转折点是更符合截断幂律还是指数截断模型。

提出的方法

• VERITAS在亚利桑那州南部使用四台12米成像大气切伦科夫望远镜，以偏移模式收集了107小时的数据（97小时有效时间）。
• 利用矩量分析进行事件重建，以确定能量和方向，选择标准针对谱指数α = -4的幂律谱。
• 采用质心校正和约克尔斯班天文台提供的脉冲星星历，实现事件的精确相位校准。
• 应用H检验评估调制辐射的显著性，全脉冲轮廓的显著性达到6.0σ。
• 通过相位折叠分析分离出主脉冲（P1）和间脉冲（P2），显著性分别为4.7σ和7.9σ。
• 通过合并P1和P2信号区域构建能谱分布（SED），并采用前向折叠法对截断幂律和指数截断模型进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 蟹状脉冲星在100 GeV以上是否可探测到调制伽马射线辐射？
• RQ2 100 GeV以上能谱形状更支持截断幂律还是指数截断模型？
• RQ3 曲率辐射能否解释观测到的高能辐射？
• RQ4 辐射区域相对于中子星位于何处？
• RQ5 在25 GeV以上，主脉冲（P1）和间脉冲（P2）的谱指数如何比较？

主要发现

• 在6.0个标准差的显著性下，探测到蟹状脉冲星在100 GeV以上的调制伽马射线辐射。
• 在100 GeV至400 GeV之间的相位平均能谱最符合简单幂律谱，谱指数为-3.8 ± 0.5（统计误差），150 GeV处的通量归一化为4.2 × 10⁻¹¹ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹。
• 从100 MeV到300 GeV的能谱分布，截断幂律模型在统计上优于指数截断模型，指数截断模型的卡方概率为3.6 × 10⁻⁸。
• 在200–400 GeV探测到辐射，意味着辐射区域必须位于中子星表面至少10倍恒星半径之外。
• 脉冲轮廓在相位0.0和0.4处显示两个峰，但其宽度仅为10 GeV以下的2–3倍，表明粒子加速区域呈渐变特征。
• P2与P1的强度比为2.4 ± 0.6，P2的谱指数比P1陡0.56 ± 0.16，表明辐射机制具有能量依赖性。