[论文解读] Gamma-ray binaries as non-accreting pulsar systems

D. F. Torres|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出，伽马射线双星系统 LS 5039 和 LS I +61 303 最佳解释为非吸积脉冲星系统，其中脉冲星风区的相对论性粒子加速过程产生GeV和TeV辐射。研究表明，两组分模型——脉冲星磁层辐射加上风震波辐射——可解释GeV和TeV通量的轨道调制，当前数据更支持此解释而非吸积模型。

ABSTRACT

The gamma-ray binaries LS 5039 and LS I +61 303 have been detected by Cerenkov telescopes at TeV energies, exhibiting periodic behavior correlated with the orbital period. These gamma-ray binary systems have also been recently detected by the Fermi Gamma-ray Telescope at GeV energies, and combination of GeV and TeV observations are providing both, expected and surprising results. We summarize these results, also considering the multi-frequency scenario, from the perspective of pulsar systems. We discuss similarities and differences of models in which pulsar wind/star wind shocks, or pulsar wind zone processes lead to particles accelerated enough to emit TeV photons. We discuss in detail the caveats of the current observations for detecting either accretion lines or pulsations from these objects. We also comment on the possibility for understanding the GeV to TeV emission from these binaries with a 2-components contribution to their spectrum. We show that it would be possible to accommodate both, normal pulsar emission and GeV / TeV fluxes that vary with orbital phase. We point out several aspects of this idea that are subject to test with data being currently taken.

研究动机与目标

• 评估非吸积脉冲星系统作为伽马射线双星中黑洞或吸积致密天体模型的替代方案的可行性。
• 评估观测到的GeV和TeV辐射变异性是否可由脉冲星风区（PWZ）过程和磁层辐射解释。
• 检验两组分谱模型（脉冲星 + 风震波）与不同轨道相位的多波段观测的一致性。
• 识别可证实或排除脉冲星假说的观测特征——如脉动信号或吸积谱线。
• 指导未来 CTA 和中微子探测器的观测，以约束这些系统中的辐射机制。

提出的方法

• 利用 Fermi-LAT 和地面切伦科夫望远镜（VERITAS、MAGIC、H.E.S.S.）分析 LS 5039 和 LS I +61 303 从GeV到TeV能量段的多波段谱能量分布（SED）。
• 应用脉冲星风区（PWZ）模型，通过相对论性风震波中的粒子加速解释TeV辐射，假设中子星具有偶极磁场。
• 构建两组分谱模型：(1) 脉冲星磁层辐射（从MeV波段外推至GeV波段），(2) 风震波辐射（具有能量依赖的粒子加速与冷却过程）。
• 利用径向速度测量得到的质量函数约束致密天体质量，表明若轨道倾角 i > 25°，中子星与观测轨道参数一致。
• 将模型预测与 INTEGRAL 硬X射线上限（尤其在上合点）进行比较，发现与脉冲星类硬X射线谱一致。
• 评估未检测到脉动信号和吸积谱线并非对脉冲星模型的决定性反驳，因观测限制和脉动相位平均可能导致信号缺失。

实验结果

研究问题

• RQ1 LS 5039 和 LS I +61 303 中GeV和TeV辐射的轨道调制能否由非吸积脉冲星系统及两组分辐射模型解释？
• RQ2 GeV和TeV波段的观测谱能量分布是否与脉冲星风区（PWZ）模型及磁层辐射分量一致？
• RQ3 当前硬X射线观测（如 INTEGRAL）对这些系统中存在脉冲星的约束为何？
• RQ4 在观测灵敏度限制下，未检测到脉动信号或吸积谱线是否可与脉冲星假说相容？
• RQ5 未来仪器如 CTA 和 IceCube 将如何帮助区分这些系统中辐射的强子与轻子机制？

主要发现

• 两组分模型——脉冲星磁层辐射加风震波辐射——成功再现了 LS 5039 和 LS I +61 303 中观测到的GeV和TeV通量的轨道调制。
• 从MeV外推的脉冲星谱与 INTEGRAL 硬X射线上限一致，尤其在上合点，支持其脉冲星起源。
• LS 5039 和 LS I +61 303 的质量函数值（约 0.01 M⊙）在轨道倾角超过25°时与中子星一致，使脉冲星模型具有可行性。
• 当前数据未排除脉冲星假说，因未检测到脉动信号或吸积谱线可能源于观测限制而非物理不可能性。
• 该模型可解释 LS I +61 303 中观测到的GeV与TeV通量反相关现象：在某些轨道相位，GeV辐射保持较强，而TeV辐射减弱。
• 未来 CTA 和中微子探测器（如 IceCube）的观测将对区分辐射的强子与轻子本质、并约束PWZ模型至关重要。