[论文解读] Fermi results on gamma-ray binaries

A. B. Hill, R. Dubois+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文利用费米-LAT探测到银河系伽马射线双星LS I +61 303、LS 5039和Cyg X-3在高能伽马射线波段的发射，揭示了其轨道调制特性以及谱函数中出乎意料的指数截止。这些发现挑战了现有辐射机制模型，部分情况下暗示磁层起源，强调了未来对脉动信号的搜寻以确定致密天体的本质。

ABSTRACT

The past decade has presented a revolution in the field of observational high energy gamma-ray astrophysics with the advent of a new generation in ground-based TeV telescopes and subsequent GeV space telescopes. The Fermi Large Area Telescope (LAT) was launched in August 2008 and has offered unprecedented sensitivity and survey capabilities in the 30 MeV - 300 GeV energy range. Presented here are the results from the first two years of LAT observations of galactic binary systems including the definitive detections of LSI+61 303, LS 5039 and Cyg X-3. These sources and others are discussed in context with their known TeV and X-ray properties. The LAT data provides new understandings and pose new questions about the nature of these objects. The identification of an exponential cutoff in the spectra of both LSI+61 303 and LS 5039 was unexpected and poses challenges for explaining the emission mechanisms and processes which are in operation within these systems.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT数据确认并表征银河系伽马射线双星的高能伽马射线辐射。
• 研究这些源的谱特性和时间特性，特别是轨道调制的存在。
• 探讨LS I +61 303和LS 5039中出乎意料的谱函数截止对辐射机制的启示。
• 确定GeV波段辐射是否源自磁层过程，如其与伽马射线脉冲星谱型相似性所暗示的那样。
• 评估在PSR B1259-63的近日点接近期（即将到来）期间，探测到致密天体脉动辐射的可能性。

提出的方法

• 利用费米-LAT在30 MeV至300 GeV能量范围内的两年数据，分析双星系统的伽马射线辐射。
• 应用Lomb-Scargle周期图分析方法，检测并确认光 light curves 中的轨道调制，以区分信号与背景。
• 采用幂律和指数截止幂律模型拟合观测谱，以表征能量分布特性。
• 将LAT结果与MAGIC、VERITAS、H.E.S.S.及其他天文台的现有TeV和X射线数据进行交叉比对。
• 使用蒙特卡洛模拟估算轨道周期的不确定性，并验证周期性的显著性。
• 将伽马射线双星的谱型与已知伽马射线脉冲星的谱型进行比较，以推断可能的辐射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米-LAT揭示的LS I +61 303、LS 5039和Cyg X-3中高能伽马射线辐射的本质是什么？
• RQ2 这些双星在GeV波段的流量调制与已知的TeV和X射线变异性相比如何？
• RQ3 为何LS I +61 303和LS 5039的谱函数在约2.5 GeV处表现出出乎意料的指数截止？
• RQ4 这些双星的GeV辐射是否可能源自磁层过程，如伽马射线脉冲星中所见？
• RQ5 利用费米-LAT探测到这些系统中致密天体脉动辐射的可能性有多大？

主要发现

• 费米-LAT在GeV能量段明确探测到LS I +61 303、LS 5039和Cyg X-3，确认其为高能伽马射线双星。
• LS I +61 303和LS 5039的GeV流量与TeV流量呈反相关，峰值出现在轨道近日点附近。
• LS I +61 303和LS 5039的谱函数在约2.5 GeV处表现出指数截止，这一特征在以往此类系统中未曾预料。
• 这些双星的谱型与伽马射线脉冲星极为相似，提示可能存在磁层辐射起源。
• 在GeV波段中清晰检测到轨道调制，确认Cyg X-3是瞬变伽马射线发射源，并表明辐射区域具有边界。
• 费米-LAT未探测到PSR B1259-63的脉动辐射，但2010年即将到来的近日点接近期为检验磁层辐射模型提供了关键机会。