[论文解读] Detection of VHE Bridge emission from the Crab pulsar with the MAGIC Telescopes

T. Saito, S. Bonnefoy+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用135小时MAGIC望远镜数据，首次检测到蟹状脉冲星两主脉冲之间非常高能（VHE）桥状辐射。该辐射在50–400 GeV能量范围内以6.2σ的显著性被观测到，挑战了现有的曲率辐射模型，并揭示了桥状相位的能谱硬化现象，表明需要新的理论框架来解释超出当前预测的VHE脉冲星辐射机制。

ABSTRACT

The Crab pulsar is the only astronomical pulsed source detected above 100 GeV. The emission mechanism of very high energy gamma-ray pulsation is not yet fully understood, although several theoretical models have been proposed. In order to test the new models, we measured the light curve and the spectra of the Crab pulsar with high precision by means of deep observations. We analyzed 135 hours of selected MAGIC data taken between 2009 and 2013 in stereoscopic mode. In order to discuss the spectral shape in connection with lower energies, 4.6 years of Fermi-LAT data were also analyzed. The known two pulses per period were detected with a significance of 8.0 sigma and 12.6 sigma. In addition, significant bridge emission was found between the two pulses with 6.2 sigma. This emission can not be explained with the existing theories. These data can be used for testing new theoretical models.

研究动机与目标

• 精确测量蟹状脉冲星在50 GeV以上的非常高能（VHE）波段的光变曲线和能谱分布（SED）。
• 测试现有VHE伽马射线辐射理论模型，特别是曲率辐射和磁层外区发射情景。
• 研究两主脉冲之间是否存在桥状辐射及其特性，该现象尚未被现有模型解释。
• 将MAGIC的VHE数据与低于50 GeV的Fermi-LAT数据结合，构建从100 MeV到400 GeV的连续SED。
• 通过提供高精度、多能量段的脉冲相位和能谱行为数据，对新理论模型进行约束。

提出的方法

• 2009至2013年间，利用MAGIC望远镜进行深度双目立体观测，总观测时间为135小时，选择天顶角低于35°的观测时段以获得最佳灵敏度。
• 使用Tempo2和MARS软件，基于Jodrell Bank射电观测获得的精确自转参数，将事件到达时间转换为脉冲星自转相位。
• 对2008至2014年期间的4.6年Fermi-LAT Pass 7重新处理数据进行分析，能量范围为100 MeV至300 GeV，使用P7REP_SOURCE_V15仪器响应函数和ScienceTools v9r32p5软件。
• 采用分箱似然法，以40°×40°为感兴趣区域，空间分箱为0.2°，背景包括银河系和河外弥漫辐射，以及2FGL星表中的源。
• 使用简单幂律函数对MAGIC数据进行能谱拟合，对Fermi-LAT数据使用带指数截断的幂律函数，通过最大似然法确定通量归一化和能谱指数。
• 通过蟹状星云SED对能量标度和通量归一化进行交叉校准，系统不确定度估计为能量17%、通量18%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在50 GeV以上的能量下，蟹状脉冲星两主脉冲之间是否存在VHE桥状辐射？
• RQ2 在100 MeV至400 GeV范围内，桥状辐射的能谱分布（SED）与主脉冲的SED相比如何？
• RQ3 第二脉冲（P2M）、桥状辐射（BridgeM）和第一脉冲（P1M）之间的通量比是否随光子能量变化，这对辐射机制有何启示？
• RQ4 现有理论模型，如磁层外区的曲率辐射，能否解释观测到的VHE光变曲线和桥状相位的能谱硬化现象？
• RQ5 当与50 GeV以下的Fermi-LAT数据结合时，桥状辐射的显著性及其能谱行为如何？

主要发现

• 蟹状脉冲星表现出两主脉冲及两者之间的显著桥状辐射，能量范围为50–400 GeV，显著性达6.2σ。
• 通量比P2M/P1M随能量增加而上升，在100 GeV能量处达到约3.25的值，表明第二脉冲具有更硬的能谱。
• 在50–400 GeV能量范围内，桥状辐射通量（BridgeM）与第一脉冲通量（P1M）相当，100 GeV能量处的通量比BridgeM/P1M为1.38。
• 桥状相位的能谱分布（SED）在50 GeV至400 GeV范围内呈现幂律指数Γ₂ = 3.35 ± 0.79，表明在整个能量范围内能谱均偏硬。
• Fermi-LAT（100 MeV–300 GeV）与MAGIC（50 GeV–400 GeV）的SED平滑连接，证实了蟹状脉冲星在VHE与GeV波段之间辐射的连续性。
• 整体能谱斜率的系统不确定度估计为0.3，能量标度不确定度为17%，支持了能谱测量的稳健性。