[论文解读] HAWC Observation of Supernova Remnants and Pulsar Wind Nebulae

C. M. Hui, H. Zhou|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本论文利用部分建成的HAWC阵列（HAWC-111）的数据，首次对银河系北部银道面内的TeV伽马射线源进行了HAWC巡天。研究报告了11个源候选体的扩展源检测，其中包括5个显著性极高的源，这些源与已知的脉冲星风云（PWNe）和未识别源在空间上高度重合，证实了HAWC在>10 TeV能量范围对扩展TeV源的敏感性，并展示了其在银河系TeV源形态与能谱研究方面的能力。

ABSTRACT

The majority of Galactic TeV gamma-ray sources are pulsar wind nebulae (PWNe) and supernova remnants (SNRs), and the most common association for unidentified sources is PWN. Many of these sources were discovered in TeV by imaging air Cherenkov telescopes using overlapping pointed observations over sections of the Galactic plane. The HAWC observatory is a survey type instrument in the Northern hemisphere with an energy range of 100 GeV to 100 TeV. Preliminary analysis of data recorded with the partially completed HAWC array taken since 2013 shows extended detections that are coincident with known TeV SNRs and PWNe. The full array became operational in early 2015 and has been steadily surveying the Northern sky since. I will discuss detections in HAWC data taken since 2013 associated with PWNe and SNRs.

研究动机与目标

• 利用高山水契伦科夫（HAWC）天文台对银河系北部银道面内的TeV伽马射线源进行初步巡天。
• 利用部分部署的HAWC阵列数据，识别并表征扩展TeV源，特别是脉冲星风云（PWNe）和超新星遗迹（SNRs）。
• 通过形态与能谱分析，评估HAWC-111在区分轻子型（PWN）与强子型（SNR）伽马射线辐射机制方面的性能。
• 为HAWC解析扩展源并参与未识别TeV源的多波段关联提供初步证据。
• 通过使用似然框架对源候选体建模，为未来多能量研究奠定联合Fermi-LAT与HAWC分析的基础。

提出的方法

• 使用HAWC阵列1/3部分（HAWC-111）的280天数据，该阵列运行时长超过95%，视场为2 sr。
• 采用切伦科夫簇射核心重建与距核心>40 m处最大电荷的方法进行伽马-强子分离，该方法在蟹状星云上进行了优化。
• 采用直接积分法估算背景，显著性通过Li & Ma公式（公式17）计算。
• 利用蟹状星云数据导出的双高斯点扩散函数对天空图进行平滑处理，以增强源检测能力。
• 采用最大似然分析对源候选体进行建模，假设谱指数为2.3，并通过检验统计量（TS）变化评估显著性。
• 通过迭代添加源的方式建模区域，当TS提升低于15（≈3σ）时停止，以确保统计可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HAWC-111阵列是否具备足够的灵敏度，能够解析已知的脉冲星风云与超新星遗迹，探测银河系银道面内的扩展TeV伽马射线源？
• RQ2 HAWC-111检测到的源在形态与能谱特性上，与H.E.S.S.、MAGIC和ARGO-YBJ所知的TeV源相比如何？
• RQ3 HAWC在多大程度上能够分辨空间上接近或重叠的源，例如HESS J1857+026与HESS J1858+020附近多个PWN候选体？
• RQ4 最显著的源候选体的显著性与流量是多少？与先前测量结果相比如何，特别是对蟹状星云的测量？
• RQ5 HAWC-111数据是否能够为未来与Fermi-LAT的联合分析提供支持，通过提供可靠的源模型与谱指数？

主要发现

• 在HAWC-111数据集中，蟹状星云的显著性超过24σ，5 TeV能量下的流量为(4.62 ± 0.23) × 10⁻¹³ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹，与先前测量结果一致，误差在15%以内。
• 在银道面内（15° < l < 50°，|b| < 4°）共识别出11个源候选体，其中5个在预试验中显著性超过5.7σ。
• 1HWC J1857+023（α = 284.3° ± 0.2°，δ = 2.3° ± 0.2°）以7.1σ显著性被检测到，其位置与HESS J1857+026和HESS J1858+020高度重合，两者均为PWN候选体。
• 1HWC J1825-133（α = 276.3° ± 0.1°，δ = -13.3° ± 0.2°）显著性为6.4σ，位于距离已知PWN HESS J1825-137 0.5°处。
• 1HWC J1838-060（α = 279.6° ± 0.3°，δ = -6.0° ± 0.2°）以7.0σ显著性被检测到，位于HESS J1837-069与HESS J1841-055之间，此前ARGO-YBJ曾报告过5.3σ的超额信号。
• 1HWC J1844-031（α = 281.0° ± 0.2°，δ = -3.1° ± 0.2°）以5.8σ显著性被检测到，其位置与未识别源HESS J1843-033高度重合，并朝向PWN HESS J1846-029延伸。