[论文解读] Galactic sources of E>100 GeV gamma-rays seen by Fermi telescope

A. Neronov, D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 6

一句话总结

本研究利用费米-LAT望远镜在低银纬（|b| < 10°）区域探测能量高于100 GeV的甚高能（VHE）伽马射线源。通过应用最小生成树（MST）方法并设定事件多重性阈值（内银道面区域≥5个事件，外银道面区域≥3个事件），识别出19个高显著性源，其中包括5个新的VHE探测结果——其中可能包含一个脉冲星风星云和一个耀变体候选体——证明了尽管费米-LAT的有效面积低于地基望远镜，其仍具备探测VHE辐射的灵敏度。

ABSTRACT

We perform a search for sources of gamma-rays with energies E&gt;100 GeV at low Galactic latitudes |b|&lt;10 deg using the data of Fermi telescope. To separate compact gamma-ray sources from the diffuse emission from the Galaxy, we use the Minimal Spanning Tree method with threshold of 5 events in inner Galaxy (Galactic longitude |l|&lt;60 deg) and of 3 events in outer Galaxy. Using this method, we identify 22 clusters of very-high-energy (VHE) gamma-rays, which we consider as "source candidates". 3 out of 22 event clusters are expected to be produced in result of random coincidences of arrival directions of diffuse background photons. To distinguish clusters of VHE events produced by real sources from the background we perform likelihood analysis on each source candidate. We present a list of 19 higher significance sources for which the likelihood analysis in the energy band E&gt;100 GeV gives Test Statistics (TS) values above 25. Only 10 out of the 19 high-significance sources can be readily identified with previously known VHE gamma-ray sources. 4 sources could be parts of extended emission from known VHE gamma-ray sources. Five sources are new detections in the VHE band. Among these new detections we tentatively identify one source as a possible extragalactic source PMN J1603-4904 (a blazar candidate), one as a pulsar wind nebula around PSR J1828-1007. High significance cluster of VHE events is also found at the position of a source coincident with the Eta Carinae nebula. In the Galactic Center region, strong VHE gamma-ray signal is detected from Sgr C molecular cloud, but not from the Galactic Center itself.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT数据在E > 100 GeV能量范围内，识别银河系平面内（|b| < 10°）此前未被探测到的甚高能（VHE）伽马射线源。
• 克服内银河系区域强烈的弥漫银河背景，该背景会增加虚假事件簇的产生率。
• 开发一种稳健的源候选体选择方法，在最小化误报率的同时探测弱且紧凑的VHE信号。
• 确定费米-LAT是否能够探测到因能量阈值或视场限制而被地基切伦科夫望远镜遗漏的VHE源。
• 使用统计聚类技术对低统计量数据进行分析，评估银河系平面内VHE源目录的完备性。

提出的方法

• 将最小生成树（MST）方法应用于高能伽马射线光子到达方向，将其聚类为紧凑的簇，以识别潜在的源候选体。
• 设定不同的事件多重性阈值：内银河系区域（|l| < 60°）为≥5个光子，外银河系区域（|l| ≥ 60°）为≥3个光子，以补偿内区更高的弥漫背景。
• 使用似然分析（检验统计量，TS）评估100–400 GeV能量段内源的显著性，仅选择TS > 25的簇作为高显著性源。
• 将检测到的簇与已知的VHE源及扩展发射区域进行比较，以评估关联性与形态一致性。
• 对簇内光子施加空间角距离限制（θ ≤ 0.23°），以减少来自弥漫背景涨落的误报。
• 与已知星表（如HESS、TeVCat）进行交叉识别，并结合光谱和位置一致性来确定源关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管费米-LAT的有效面积低于地基切伦科夫望远镜，其是否仍能探测到低银纬区域E > 100 GeV的VHE伽马射线源？
• RQ2 统计聚类方法（如MST）如何适应在强弥漫银河背景存在下探测紧凑VHE源候选体？
• RQ3 在银河系平面中，已知VHE源中有多大比例可在E > 100 GeV能量范围内被费米-LAT探测到？这一比例如何依赖于源的形态和能谱特性？
• RQ4 是否存在因能量阈值或非轴向指向几何特性而被地基望远镜遗漏的银河系平面VHE源？
• RQ5 采用固定空间角距离与多重性阈值的MST方法，在多大程度上能产生VHE源的完整或有偏样本？

主要发现

• 本研究基于两年费米-LAT数据，在E > 100 GeV能量范围内、|b| < 10°区域，识别出19个高显著性VHE伽马射线源（TS > 25）。
• 其中10个可明确关联至已知的VHE源，另有4个可能为已知源（如HESS J1832-093和HESS J1846-028）的扩展发射部分。
• 探测到5个新的VHE伽马射线源，其中包括一个可能与η Carinae星云相关联的源，以及一个与PSR J1828-1007周围脉冲星风星云相关的源。
• 在银河系中心区域的Sgr C分子云位置探测到强烈的VHE信号，但未在银河系中心本身发现类似信号。
• 在Cas A超新星遗迹附近发现一个未解释的高TS过剩，可能源于一个在约100 GeV附近具有能谱截断的VHE源，或为统计涨落。
• MST方法中采用θ ≤ 0.23°的空间角限制与最小多重性阈值，会排除许多具有扩展形态的真实源，表明该目录并非完备，且可能系统性低估了可探测VHE源的真实数量。