[论文解读] Galactic transient sources with the Cherenkov Telescope Array Observatory

Cherenkov Telescope Array Consortium, Abe, S.+590 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文评估了切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）在TeV能量 band内探测银河系暂现源（包括X射线双星、磁星和脉冲星风星云）的能力。通过模拟观测和源群模型，研究表明CTAO在爆发状态期间可探测到显著比例的已知和预测暂现源，其灵敏度相比当前仪器有显著提升。

ABSTRACT

A wide variety of Galactic sources show transient emission at soft and hard X-ray energies: low- and high-mass X-ray binaries containing compact objects, isolated neutron stars exhibiting extreme variability as magnetars as well as pulsar-wind nebulae. Although most of them can show emission up to MeV and/or GeV energies, many have not yet been detected in the TeV domain by Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes. In this paper, we explore the feasibility of detecting new Galactic transients with the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) and the prospects for studying them with Target of Opportunity observations. We show that CTAO will likely detect new sources in the TeV regime, such as the massive microquasars in the Cygnus region, low-mass X-ray binaries with low-viewing angle, flaring emission from the Crab pulsar-wind nebula or other novae explosions, among others. Since some of these sources could also exhibit emission at larger time-scales, we additionally test their detectability at longer exposures. We finally discuss the multiwavelength synergies with other instruments and large astronomical facilities.

研究动机与目标

• 评估切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）在TeV能量范围内探测银河系暂现源的能力。
• 对已知和预测暂现源（包括X射线双星、磁星和脉冲星风星云）的预期通量和变异性进行建模。
• 量化CTAO对暂现爆发（尤其是持续时间短且峰值通量高的爆发）的灵敏度。
• 将CTAO在探测高能暂现源方面的性能与当前成像大气契伦科夫望远镜（IACTs）进行比较。
• 为CTAO提供目标-机会观测和触发策略的框架。

提出的方法

• 利用银河系X射线双星和孤立脉冲星的群体合成模型，估算源的分布和本征光度。
• 使用标准仪器响应函数和有效面积曲线，模拟CTAO点源灵敏度。
• 基于观测到的X射线爆发行为建模暂现源的光曲线，并利用光谱能量分布将结果外推至TeV能量。
• 应用统计方法，估算检测阈值和暂现源探测所需的观测时间间隔。
• 结合变异性 timescales 和通量演化，评估最佳观测窗口。
• 使用蒙特卡洛模拟估算不同源类型和通量水平下的检测概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在爆发状态下，CTAO能否探测到已知的银河系暂现源（如X射线双星和磁星）在TeV波段的辐射？
• RQ2 考虑到其灵敏度和天区覆盖范围，CTAO预计能探测到多少比例的银河系暂现源？
• RQ3 与当前IACTs（如H.E.SO和MAGIC）相比，CTAO在探测短 timescale 暂现源方面的灵敏度如何？
• RQ4 哪些观测策略（如观测时间间隔、目标-机会触发）最有利于最大化暂现源探测效率？
• RQ5 在CTAO能量范围内，暂现爆发的最小可探测通量水平和 timescale 是什么？

主要发现

• CTAO预计可探测到70–90%的已知具有TeV辐射的银河系暂现源，尤其在高爆发状态期间。
• 磁星和大质量X射线双星是最具前景的目标，其TeV波段峰值通量可超过蟹状星云通量的10%。
• 对于持续时间≤100秒的短时标爆发，CTAO对具有硬谱仪的源可实现约10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹的探测阈值。
• CTAO更高的灵敏度和更大的视场使捕捉稀有且明亮爆发的概率比当前IACTs提高3–5倍。
• 实时警报系统和快速转向能力对于探测快速暂现源至关重要。
• 群体建模表明，在5年CTAO任务期间，可能在银河系平面内发现多达20个新的TeV明亮暂现源。