[论文解读] Extragalactic source population studies at very high energies in the Cherenkov Telescope Array era

T. Hassan, A. Domínguez+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文利用费米-LAT 3FHL星表的光谱外推，预测了切伦科夫望远镜阵列（CTA）在早期运行阶段对河外甚高能（VHE）源——主要是耀变体——的可探测性。通过模拟CTA-N和CTA-S阵列在5–20小时曝光下的观测，并应用考虑了宇宙背景光（EBL）衰减的谱模型（PL、PLE、BPL、LP），预测CTA将探测到数百个源，包括红移高达z ∼1.5的高红移耀变体，显著扩展当前IACT能力所覆盖的VHE源群体。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground-based $\gamma$-ray observatory. It will provide an order of magnitude better sensitivity and an extended energy coverage, 20 GeV - 300 TeV, relative to current Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). IACTs, despite featuring an excellent sensitivity, are characterized by a limited field of view that makes the blind search of new sources very time inefficient. Fortunately, the $ extit{Fermi}$-LAT collaboration recently released a new catalog of 1,556 sources detected in the 10 GeV - 2 TeV range by the Large Area Telescope (LAT) in the first 7 years of its operation (the 3FHL catalog). This catalog is currently the most appropriate description of the sky that will be energetically accessible to CTA. Here, we discuss a detailed analysis of the extragalactic source population (mostly blazars) that will be studied in the near future by CTA. This analysis is based on simulations built from the expected array configurations and information reported in the 3FHL catalog. These results show the improvements that CTA will provide on the extragalactic TeV source population studies, which will be carried out by Key Science Projects as well as dedicated proposals.

研究动机与目标

• 本文旨在预测切伦科夫望远镜阵列（CTA）在其早期运行阶段可探测的河外甚高能（VHE）源群体。
• 它解决了当前成像大气契伦科夫望远镜（IACT）灵敏度有限和视场较小的问题，这些限制阻碍了盲源搜索。
• 本研究利用费米-LAT 3FHL星表（包含1,556个源，其中79%为河外源）作为CTA能量范围（20 GeV–300 TeV）的参考天空模型。
• 其目标是量化CTA提升的灵敏度和扩展的能量覆盖范围将如何增强对暗淡、持续和高红移耀变体的探测能力。
• 研究还包括估算各类源（如BL Lacs、FSRQs）的可探测源数量，并评估因红移未知而带来的谱外推不确定性的影响。

提出的方法

• 分析使用3FHL星表（1,556个源，1,231个河外源）作为CTA能量范围的天空模型。
• 从3FHL星表中获取的谱通量通过四种模型外推至TeV能量：幂律（PL）、带指数截断的幂律（PLE）、断点幂律（BPL）和对数抛物线（LP），所有模型均包含EBL衰减。
• 对于红移未知的源，根据其源类型（BL Lacs、FSRQs、类型不确定的耀变体（BCUs）），从已知的分布中随机采样红移。
• 通过模拟CTA观测（5小时和20小时曝光）计算可探测性，分别针对CTA-N（拉帕尔玛）和CTA-S（帕拉纳），假设显著性不低于5σ。
• 应用文献[4]中的EBL衰减模型，以考虑宇宙距离上的γ射线吸收。
• 结果通过锤-艾托夫投影天空图、通量-指数图以及不同谱外推方案下的红移分布图呈现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5–20小时曝光下，CTA-N和CTA-S将能探测到多少来自3FHL星表的河外源？
• RQ2 在不同谱外推模型下，可探测源的预期分布按源类型（如BL Lacs、FSRQs、射电星系）如何分布？
• RQ3 哪些源（尤其是高红移源）将能被CTA探测到？可探测VHE源的最大红移是多少？
• RQ4 CTA在多大程度上能探测到接近3FHL通量极限的暗淡、硬谱源，特别是目前IACT尚未探测到的源？
• RQ5 红移和谱形不确定性的程度如何影响对河外VHE源可探测性的预测？

主要发现

• 在PLE外推方案下，CTA-S在20小时观测中可探测344个河外源，CTA-N同样可探测344个源。
• CTA-S在5小时观测中可探测208个BL Lacs（其中50个已有IACT探测记录），在20小时观测中可探测129个类型不确定的耀变体。
• 即使仅进行5小时曝光，CTA也能探测到达到3FHL通量极限的源，表明其对新一类暗淡、硬谱源具有探测能力。
• 高红移耀变体（最高可达z ∼1.5）可在其平静状态下被探测到，尤其在PLE和PL外推模型下。
• CTA-N探测到的FSRQ数量从5小时的7个增加到20小时的13个，CTA-S从6个增至10个，表明对这一类源的探测灵敏度显著提升。
• 星暴星系和射电星系在中等曝光时间下可被探测到，CTA-S在20小时观测下使用PLE模型可探测到2个此类源。