[论文解读] HAWC Search for High-Mass Microquasars

HAWC Collaboration, A. Albert+88 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用 9

一句话总结

本研究利用高海拔水切伦科夫（HAWC）天文台对四颗大质量微类星体（HMMQs）——LS 5039、天鹅座X-1、天鹅座X-3 和 SS 433——进行甚高能（VHE）伽马射线辐射的搜索。尽管未检测到显著信号，该分析仍设定了迄今为止最严格的 10 TeV 以上 VHE 辐射上限。通过在两种物理模型下进行堆叠分析，研究严格约束了伽马射线发射效率（ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶），并暗示微类星体喷流中存在强磁场（>20 G），这与基于同步辐射的 MeV 波段发射模型相矛盾。

ABSTRACT

Microquasars with high-mass companion stars are promising very-high-energy (VHE; 0.1-100 TeV) gamma-ray emitters, but their behaviors above 10 TeV are poorly known. Using the High Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatory, we search for excess gamma-ray emission coincident with the positions of known high-mass microquasars (HMMQs). No significant emission is observed for LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, and SS 433 with 1,523 days of HAWC data. We set the most stringent limit above 10 TeV obtained to date on each individual source. Under the assumption that HMMQs produce gamma rays via a common mechanism, we have performed source-stacking searches, considering two different scenarios: I) gamma-ray luminosity is a fraction $\epsilon_\gamma$ of the microquasar jet luminosity, and II) very-high-energy gamma rays are produced by relativistic electrons up-scattering the radiation field of the companion star in a magnetic field $B$. We obtain $\epsilon_\gamma < 5.4 imes 10^{-6}$ for scenario I, which tightly constrains models that suggest observable high-energy neutrino emission by HMMQs. In the case of scenario II, the non-detection of VHE gamma rays yields a strong magnetic field, which challenges synchrotron radiation as the dominant mechanism of the microquasar emission between 10 keV and 10 MeV.

研究动机与目标

• 利用 HAWC 数据搜索已知大质量微类星体（HMMQs）的甚高能（>10 TeV）伽马射线辐射。
• 在假设该群体中存在共同辐射机制的前提下，约束 HMMQs 的伽马射线发射效率。
• 检验通过喷流中逆康普顿散射和同步辐射机制产生 VHE 伽马射线的模型。
• 探究观测到的 MeV 与 VHE 伽马射线通量之间的间隙是否为 HMMQs 的普遍特征。
• 评估 γγ 对吸收与相对论性束射效应对推断辐射特性的影响力。

提出的方法

• 分析使用了 HAWC 的 1,523 天数据，搜索四颗 HMMQs（LS 5039、天鹅座X-1、天鹅座X-3 和 SS 433）位置处的伽马射线过量辐射。
• 对每个源，基于似然统计方法推导出 VHE 流量的上限，假设能谱为幂律谱。
• 通过组合所有四颗 HMMQs 的似然轮廓，采用源堆叠技术以增强对弱且共有的辐射的探测灵敏度。
• 在堆叠分析中采用两种物理模型：（I）伽马射线光度为喷流光度的分数 ϵγ；（II）相对论性电子在磁场 B 中将伴星辐射逆康普顿散射至高能。
• 通过要求模型预测的流量低于观测上限，结合标准双星几何结构，约束磁场强度 B。
• 分析考虑了星周光子场引起的潜在 γγ 对产生吸收，估算 LS 5039 的衰减因子 ηγγ ≈ 0.1–0.4，并据此调整了流量上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 10 TeV 以上，能否探测到大质量微类星体的 VHE 伽马射线辐射？
• RQ2 若 HMMQs 通过共同机制产生 VHE 光子，其本征伽马射线发射效率（ϵγ）的上限是多少？
• RQ3 VHE 辐射的缺失是否可由强磁场抑制 10 keV–10 MeV 波段的同步辐射来解释？
• RQ4 星周辐射场引起的 γγ 吸收如何影响本征流量与磁场约束的推断？
• RQ5 HMMQs 是否表现出与轨道运动一致的 VHE 流量周期性调制？

主要发现

• 在 HAWC 的 1,523 天数据中，未在 LS 5039、天鹅座X-1、天鹅座X-3 或 SS 433 中探测到显著的 VHE 伽马射线辐射。
• 本研究设定了迄今为止最严格的单个 HMMQ 在 10 TeV 以上 VHE 伽马射线流量上限。
• 在假设 VHE 辐射为喷流光度分数 ϵγ 的前提下，分析约束了 ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶，显著收紧了预测可观测高能中微子辐射的模型限制。
• 对于逆康普顿模型，非探测结果意味着相对论性喷流中磁场强度 B > 20 G，这与同步辐射主导 10 keV–10 MeV 波段的模型相矛盾。
• 分析未发现 HAWC 数据中存在周期性流量调制的证据，表明在日 timescale 上 VHE 辐射无显著轨道调制。
• 研究估计，γγ 吸收可能使本征流量降低约 10 倍，但即使考虑该效应，推导出的磁场下限依然很强，表明同步辐射不太可能主导 MeV 波段的辐射。