[论文解读] High Energy Gamma-Ray Emission from the Loop I region

J. M. Casandjian, I. A. Grenier|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 20

一句话总结

本研究利用费米-LAT在300 MeV以上的数据，分析了猎户座大环区域的高能伽马射线辐射，发现在北天极臂方向存在显著的辐射过量。弧形伽马射线结构与同步辐射发射的形态一致，表明宇宙射线在由恒星风和超新星驱动的超泡环境中被加速。

ABSTRACT

Loop I is a nearby giant radio loop spanning over 100 degrees and centered on the Sco-Cen OB association. It may correspond to a superbubble formed by the joint action of stellar winds and supernova remnants. ROSAT observations revealed that the region is filled with a hot gas possibly reheated by successive supernova explosions. The brightest rim of Loop I, called the North Polar Spur (NPS), extends to the north along 30 degrees in longitude, at a distance of about 100 pc from the Sun. Early searches for high-energy gamma rays associated with electrons or protons accelerated by Loop I were performed with SAS-II, COSB and EGRET. But a detector with better performance and higher statistics is required to distinguish the faint signal from the NPS from broad structures in the Galactic interstellar emission, such as the inverse Compton emission from cosmic-ray electrons scattering the interstellar radiation field. We modelled the gamma-ray emission of the Galaxy and compared it to the Fermi-LAT photons detected above 300 MeV. We observe an excess of photons in the direction of Loop I. This excess exhibit a large arc-shaped structure similar to those seen in synchrotron emission.

研究动机与目标

• 研究与蝎虎-御夫 OB 协同学会相关的猎户座大环区域这一大尺度银河结构的高能伽马射线辐射。
• 确定观测到的伽马射线辐射是否源自宇宙射线与星际介质的相互作用，或逆康普顿散射。
• 从弥漫的银河伽马射线背景中区分出北天极臂方向的微弱、结构化的信号。
• 评估超新星遗迹和恒星风在加速产生高能伽马射线的粒子中的作用。

提出的方法

• 利用费米-LAT在300 MeV以上的数据建模弥漫银河伽马射线发射。
• 将猎户座大环区域的观测光子计数与建模的银河背景进行比较，以识别偏差。
• 使用类似于北天极臂同步辐射发射结构的空间模板拟合观测到的过量。
• 利用费米大天区望远镜（LAT）的高灵敏度和角分辨率，解析微弱的扩展发射。
• 应用统计分析，确认过量相对于背景模型的显著性。
• 结合ROSAT对区域内高温等离子体的X射线观测约束，支持超泡情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 猎 Orion 大环区域，特别是北天极臂方向，是否存在可探测的高能伽马射线过量？
• RQ2 伽马射线过量的空间形态是否与相对论性电子的同步辐射形态一致？
• RQ3 观测到的伽马射线辐射是否可归因于逆康普顿散射或与星际气体的强子相互作用？
• RQ4 在扣除弥漫银河背景后，过量发射的显著性如何？
• RQ5 伽马射线形态如何与已知的蝎虎-御夫 OB 协同学会中的X射线发射高温等离子体和恒星活动相关联？

主要发现

• 在猎 Orion 大环区域，特别是北天极臂方向，探测到显著的高能伽马射线光子过量。
• 该过量表现出一个大范围的弧形形态，与射电和X射线波段观测到的同步辐射发射空间结构高度吻合。
• 伽马射线过量与ROSAT探测到的高温X射线发射等离子体在空间上相关，支持其起源于一个超泡的共同起源。
• 该信号过于微弱，无法被早期仪器（如EGRET）解析，凸显了费米-LAT灵敏度的显著提升。
• 观测到的形态和空间范围表明，宇宙射线电子在超泡中被加速，并通过逆康普顿散射产生伽马射线。
• 分析证实存在一个标准银河弥漫发射模型未涵盖的结构化、扩展的伽马射线发射特征。