[论文解读] Discovery of very-high-energy gamma-ray emission from the vicinity of PSR J1831-952 with H.E.S.S

F. Sheidaei, A. Djannati-Ataı̈+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

H.E.S.S.合作组报告发现了一个与67毫秒脉冲星PSR J1831-0952空间重合的扩展甚高能（VHE）伽马射线源HESS J1831-098。该源具有幂律谱，光子指数为2.1，1 TeV以上通量为1.1×10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹，与脉冲星自转能耗以约1%的效率驱动脉冲星风 nebula（PWN）的特征一致，尽管在其他波段未探测到对应源。

ABSTRACT

We report on the latest discovery of an extended Very High Energy (VHE) gamma-ray source near the 67 ms pulsar PSR J1831-0952 during the H.E.S.S. Galactic Plane Survey (GPS). The dispersion measure distance of the pulsar (4.3 kpc) would imply that less than 1% of its spin-down energy is required to provide the observed VHE luminosity of the source. No other plausible counterparts have yet been found through preliminary multi- wavelength searches. The most likely scenario is that the VHE emission originates from the -yet unseen at other wavelengths-wind nebula of PSR J1831-0952. If so this would constitute another case of a gamma-ray discovered pulsar wind nebula.

研究动机与目标

• 确定在H.E.S.S.银河系平面巡天中靠近PSR J1831-0952发现的扩展VHE伽马射线源的起源。
• 判断VHE辐射是否与脉冲星风 nebula（PWN）或其他天体物理对象（如超新星遗迹SNR）相关。
• 通过比较空间偏移、亮度和光谱特性与已知VHE PWN候选源，评估PWN起源的可能性。
• 评估源的高能截止和低磁场强度对系统年龄和脉冲星自行速度的影响。
• 在其他波段未探测到对应源的背景下，探讨该源是否可能为伽马射线发现的PWN。

提出的方法

• 利用2004年至2009年间收集的40小时有效时间数据，来自H.E.S.S.四台成像大气契伦科夫望远镜阵列，应用标准数据质量筛选。
• 采用多变量分析技术与环背景法，抑制宇宙射线背景，生成图像大小阈值为80 p.e.的天图。
• 在以最佳拟合源位置为中心、半径为0.3°的区域执行前向折叠光谱分析，提取微分能谱。
• 使用反射区法估算背景，并对超额图进行二维高斯拟合（对称与非对称），以确定源形态。
• 通过X射线（Chandra, XMM-Newton）、Fermi-LAT（33个月公开数据）及色散测量距离（4.3 kpc）进行多波段交叉识别，评估对应源。
• 通过将预测通量与光谱指数与观测值及Fermi上限比较，评估VHE辐射与PWN中逆康普顿散射的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HESS J1831-098的扩展VHE伽马射线辐射是否与PSR J1831-0952空间相关联？该偏移的显著性如何？
• RQ2 HESS J1831-098的能量谱分布为何？是否存在高能截止或弯曲的证据？
• RQ3 观测到的VHE亮度能否由PSR J1831-0952自转能耗驱动的PWN解释？所需效率是多少？
• RQ4 为何在X射线或GeV能量段未探测到对应源？这是否可能表明为伽马射线发现的PWN？
• RQ5 该源的形态与能量截止对系统年龄、磁场强度及脉冲星自行速度有何影响？

主要发现

• HESS J1831-098表现出扩展的VHE伽马射线辐射，预试验显著性为7.9σ，试验校正后显著性为5.8σ，辐射中心位于α = 18h31m25s，δ = -9°54′。
• 源的投影角直径约为σ ≈ 0.15°，对应于距离脉冲星4.3 kpc处的物理尺度约20 pc。
• 微分能谱符合幂律分布，光子指数为Γ = 2.1 ± 0.1，能量延伸至30 TeV，未观测到显著截止。
• 1 TeV以上通量为(1.1 ± 0.1) × 10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹，相当于同一能量范围内蟹状星云通量的约4%。
• 由脉冲星自转能耗驱动VHE辐射所需效率约为1%，与已知VHE PWN候选源（如HESS J1420-609和HESS J1809-193）一致。
• Fermi-LAT数据未显示30 GeV以上显著GeV辐射，但其上限高于H.E.S.S.通量外推值，因此仍存在GeV对应源的可能性。