[论文解读] H.E.S.S. II observations of the 2014 periastron passage of PSR B1259-63/LS 2883

C. Romoli, P. Bordas+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文报告了H.E.S.S. II在2014年近日点 passage 期间对伽马射线双星 PSR B1259–63/LS 2883 的观测，利用了提升的灵敏度和更低的能量阈值。它确认了在GeV爆发期间存在高TeV通量，并揭示了在近日点前30天出现的意外2.5倍通量增强，挑战了现有双星系统中粒子加速的模型。

ABSTRACT

PSR B1259-63/LS 2883 is a gamma-ray binary system composed of an O9.5Ve main sequence star, LS 2883, and a 47.8 ms spinning neutron star in a highly eccentric 3.4 yr orbit (eccentricity e = 0.87). PSR B1259-63/LS 2883 is so far the only gamma-ray binary in which the compact object has been firmly identified. H.E.S.S. observed this system around its periastron passages in 2004, 2007, 2011 and 2014. For this latter event, a detailed campaign was organised making use of the new capabilities of H.E.S.S. II, in particular its improved sensitivity and a lower energy threshold. This campaign covered for the first time the time of periastron and parts of the orbit so far unexplored at VHE energies, and included as well observations during the GeV flare observed contemporaneously with the Fermi-LAT. The analysis of the H.E.S.S. II data indicates a relatively high TeV flux during this GeV flare and also at orbital phases preceding the first neutron star crossing of the circumstellar disk. These results will be summarised and discussed in the context of previous models attempting to explain the complex gamma-ray emission from this source.

研究动机与目标

• 利用H.E.S.S. II提升的灵敏度和更低的能量阈值，研究PSR B1259–63/LS 2883在2014年近日点passage期间的甚高能（VHE）伽马射线辐射。
• 通过获得同时的VHE和GeV观测，解决2011年观测到的延迟GeV爆发这一长期存在的谜题，并在2014年得到确认。
• 研究在首次盘面穿越之前观测到的出乎意料的高VHE通量的物理起源，该现象与脉冲星风与周围尘埃盘相互作用的标准模型相矛盾。
• 利用2004年至2014年H.E.S.S.-I和H.E.S.S. II的所有可用数据，构建该系统首张以日为单位的相位折叠VHE光 light curve。

提出的方法

• 数据通过H.E.S.S. II的五台望远镜——四台12米和一台28米中央望远镜——在多个分析配置下获取：CT1–4 STEREO、CT1–5 STEREO 和 CT5 MONO。
• 分析使用了更新的软件重新处理2004年、2007年、2011年和2014年的所有H.E.S.S.观测数据，实现了更高的灵敏度和更低的能量阈值。
• 数据按周分箱，然后以近日点通过时刻为参考，按日相位折叠，假设光谱指数为Γ = 2.7用于通量校准。
• 利用Fermi-LAT的同时观测，将VHE辐射与GeV爆发相关联，该爆发在以往周期中出现在近日点约30天后。
• 通过在相同轨道相位合并不同年份的数据，构建相位折叠光 light curve，假设各周期间辐射物理机制一致。
• 进行了统计一致性检验，确认不同年份重叠的通量点未出现显著偏差，支持叠加光 light curve 的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何PSR B1259–63/LS 2883的VHE伽马射线通量在近日点前30天显著增强，与预期相反？
• RQ2 在GeV爆发期间观测到的高TeV通量的物理起源是什么，该爆发与VHE辐射峰值重合？
• RQ3 VHE光 light curve 如何在整个轨道周期中演化，特别是在此前未被观测到的近日点passage和近日点前阶段？
• RQ4 近日点前观测到的VHE通量增强是否为周期性现象，能否通过共同的辐射机制与GeV爆发关联？

主要发现

• 在近日点后约30天发生的GeV爆发期间，PSR B1259–63/LS 2883的VHE通量保持较高水平，证实了GeV与TeV波段的同时多波段爆发。
• 在近日点前30天，观测到约2.5倍于首次盘面穿越时通量水平的显著通量增强，表明在与盘面相互作用前已发生意外的粒子加速。
• 基于2004年至2014年数据构建的相位折叠光 light curve 显示近日点附近存在明显的通量最小值，与以往观测一致，但揭示了此前未被观测到的近日点接近前的高通量状态。
• 通量增加始于近日点前约十天，表明存在标准脉冲星风与周围尘埃盘相互作用模型中未包含的前驱辐射机制。
• 多个轨道周期间通量水平的一致性支持了辐射过程具有重复性和周期性，强化了存在稳定长期辐射机制的假设。
• 结果要求对当前双星系统中伽马射线辐射的模型进行修订，特别是涉及脉冲星风与恒星风及周围尘埃盘相互作用的模型。