[论文解读] GRB Observations with the MAGIC Telescopes

M. Garczarczyk, M. Gaug+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文展示了MAGIC-I和MAGIC-II切伦科夫望远镜在观测伽马射线暴（GRBs）的甚高能（VHE）伽马射线辐射方面的性能与结果。利用快速转向能力及25 GeV的低能量阈值，MAGIC在23次GRB观测中未检测到25 GeV以上的显著VHE信号，对通量设定了严格的上限，最灵敏的探测结果在80–125 GeV能带达到1.12 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹。

ABSTRACT

MAGIC is currently the most suitable instrument to perform observations of the prompt an early afterglow emission from Gamma Ray Bursts (GRBs) at energies above 25 GeV. The instrument is designed to have the lowest possible energy threshold and fastest reaction time to GRB Coordinates Network (GCN) alerts. The MAGIC-I telescope started to follow-up GCN alerts in the beginning of 2005. Since then, more than 50 GRB candidates were observed. Just now MAGIC-II, the second telescope has started to operate. Both telescopes together will have a factor of three better sensitivity.

研究动机与目标

• 利用地面切伦科夫望远镜探测25 GeV以上甚高能（VHE）伽马射线辐射的伽马射线暴（GRBs）。
• 提升MAGIC望远镜对伽马射线暴警报（来自GCN网络）的灵敏度与响应速度。
• 研究宇宙背景光（EBL）与光子相互作用导致的VHE光子能谱截止，为伽马射线暴物理与宇宙演化提供洞见。
• 验证升级后的MAGIC-I望远镜性能及MAGIC-II望远镜的调试状态，为未来的VHE GRB观测做好准备。

提出的方法

• 利用世界最大的成像大气切伦科夫望远镜（IACT）MAGIC-I，其镜面面积达234 m²，配备高量子效率光电倍增管，探测VHE伽马射线簇射产生的切伦科夫光。
• 引入新型“总和触发”系统，将能量阈值降低至25 GeV，实现对蟹状脉冲星在VHE能量段的探测。
• 采用快速转向（180°方位角移动仅需20秒）及优化的触发/读出系统，迅速响应GCN警报，观测GRB早期辐射。
• 对23次GRB事件进行标准分析，应用能量分箱与上限计算，覆盖80–125、125–175、175–300及300–1000 GeV能带。
• 在可用时使用费米-LAT提供的精确坐标，但部分情况下（如GRB090323）坐标在观测窗口之后才到达。
• 采用标准分析方法进行统计上限计算，通量上限以10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹为单位报告。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高亮度且可能受EBL吸收影响的情况下，MAGIC望远镜能否探测到25 GeV以上GRB的VHE伽马射线辐射？
• RQ2 GRB中高能辐射的能谱演化，如GRB080916C，与同步辐射及自反向散射（SSC）发射模型的预测相比如何？
• RQ3 EBL在高红移GRB的VHE光子上是否会产生明显的能谱截止，MAGIC能否测量该效应？
• RQ4 升级后的指向与触发系统在实现快速响应GRB警报及提升灵敏度方面效果如何？
• RQ5 在23次GRB样本中，25–1000 GeV能段的VHE辐射通量上限是多少？

主要发现

• 在分析的23次GRB观测中，任何一次均未探测到25 GeV以上的显著VHE伽马射线辐射，多个能量区间的通量上限均已设定。
• 最灵敏的通量上限为2.30 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹，出现在GRB090102的80–125 GeV能带，观测时间窗口为T₀ + 1161 s至T₀ + 5181 s。
• 对于GRB080430，最高通量上限为7.76 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹，出现在80–125 GeV能带，时间窗口为T₀ + 16912 s至T₀ + 17968 s。
• MAGIC-I望远镜在最近升级后，实现了180°方位角移动仅需20秒的转向速度，达到其设计规格。
• MAGIC-II望远镜正处于调试阶段，即将与MAGIC-I联合运行，使灵敏度提升三倍。
• 对于GRB090323，LAT探测到能量达数GeV的辐射，但更精确的坐标在MAGIC-I观测之后才到达，导致爆发位于视场之外。