[论文解读] Exploring the Galaxy at TeV energies: Latest results from the H.E.S.S. Galactic Plane Survey

H. Gast, F. Brun+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文展示了H.E.S.S.银河系平面巡天的最新成果，该巡天利用位于纳米比亚的四台成像大气契伦科夫望远镜，对银河系内区在TeV能量段进行了全面观测。巡天探测到超过60个甚高能（VHE）伽马射线源，主要为脉冲星风星云和超新星遗迹，其中近三分之一尚未关联；关键发现包括：在超新星遗迹G318.2+0.1中探测到扩展的VHE伽马射线辐射，发现PSR J1459-6053附近一个新的PWN候选体，以及在复合型超新星遗迹G327.1-1.1和G15.4+0.1中探测到VHE伽马射线辐射。

ABSTRACT

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of four imaging atmospheric-Cherenkov telescopes located in Namibia and designed to detect extensive air showers initiated by gamma-rays in the very-high-energy domain. It is an ideal instrument for surveying the Galactic plane in search of new sources, thanks to its location in the Southern Hemisphere, its excellent sensitivity, and its large field-of-view. The efforts of the H.E.S.S. Galactic Plane Survey, the first comprehensive survey of the inner Galaxy at TeV energies, have contributed to the discovery of an unexpectedly large and diverse population of over 60 sources of VHE gamma rays within its current range of l=250 to 65 degrees in longitude and |b|<=3.5 degrees in latitude. The population of VHE gamma-ray emitters is dominated by the pulsar wind nebula and supernova remnant source classes, although nearly a third remain unidentified or confused. The sensitivity of H.E.S.S. to sources in the inner Galaxy has improved significantly over the past two years, from continued survey observations, dedicated follow-up observations of interesting source candidates, and from the development of advanced methods for discrimination of gamma-ray-induced showers from the dominant background of hadron-induced showers. The latest maps of the Galaxy at TeV energies will be presented, and a few remarkable new sources will be highlighted.

研究动机与目标

• 对银河系内区在TeV能量段开展系统性、大规模巡天，以发现新的VHE伽马射线源。
• 表征银河系中VHE伽马射线辐射体的群体特性，特别是脉冲星风星云（PWNe）和超新星遗迹（SNRs）。
• 识别并研究未关联或理解不足的VHE源，以探究高能宇宙射线的起源及粒子加速机制。
• 改进点源探测在天空复杂拥挤区域的灵敏度与背景抑制技术。

提出的方法

• 利用位于纳米比亚的H.E.S.S.四台12米成像大气契伦科夫望远镜阵列，视场为5°，角分辨率为0.1°。
• 在银道坐标系经度ℓ = 250°至65°、银纬|b| ≤3.5°范围内进行系统扫描模式观测，并通过重叠场确保完整覆盖。
• 应用先进的背景抑制技术，包括基于图像的簇射重建，以及受机器学习启发的伽马射线与强子簇射区分方法。
• 整合多种观测策略的数据：对候选源进行深度指向观测，并包含巡天区域内所有非目标观测数据。
• 使用预试验显著性图并应用试验因子校正，以识别高于背景的超额信号，采用5σ事后试验显著性阈值。
• 将VHE探测结果与多波段数据（射电、X射线、Fermi-LAT）交叉比对，以识别对应体并约束辐射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系内区VHE伽马射线源的真实群体规模如何？其在空间和能量分布上呈现怎样的特征？
• RQ2 H.E.S.S.巡天能否识别并表征新的VHE源，特别是未与已知脉冲星或SNRs相关的源？
• RQ3 在未关联源中，观测到的VHE辐射由何种物理机制产生——例如强子相互作用或逆康普顿散射？
• RQ4 HESS J1457-593和HESS J1554-550等VHE源的谱性和空间特性在多大程度上支持或挑战当前宇宙射线加速与传播模型？
• RQ5 像G318.2+0.1和G15.4+0.1这样的超新星遗迹的VHE辐射在多大程度上能通过与分子云的强子相互作用来解释？

主要发现

• H.E.S.S.在银经ℓ = 250°至65°、|b| ≤3.5°范围内探测到超过60个银河系VHE伽马射线源，5σ预试验显著性下灵敏度阈值为10%蟹状星云通量。
• 源群体以脉冲星风星云（PWNe）和超新星遗迹（SNRs）为主，但近三分之一仍为未关联源或与其他源混淆。
• 在超新星遗迹G318.2+0.1方向探测到扩展的VHE辐射（HESS J1457-593），其能谱在20 TeV以上仍保持硬谱，与共伴分子云中的强子相互作用一致。
• 在64 kyr的脉冲星PSR J1831-0952附近发现一个新的VHE PWN候选体（HESS J1831-098），具有硬谱（光子指数2.1 ± 0.08），通量为蟹状星云的4%。
• 在复合型超新星遗迹G327.1-1.1中确认了与脉冲星风星云空间重合的VHE辐射（HESS J1554-550），支持中心区域存在高能粒子。
• 在壳层型超新星遗迹G15.4+0.1中探测到显著的VHE辐射（HESS J1818-154），该源最近在射电波段被发现，且辐射范围超出H.E.S.S.的点扩散函数。