[论文解读] Highlights of the MAGIC Telescopes

J. Cortina|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用 8

一句话总结

该论文介绍了MAGIC立体甚高能（VHE）伽马射线望远镜系统的性能及关键科学成果，该系统在两年运行后实现了50 GeV的能量阈值和高于300 GeV的积分灵敏度0.76% Crab。研究首次测量了从50 GeV到50 TeV的蟹状星云谱，将蟹状脉冲星的探测能量上限扩展至400 GeV，发现了两个新的VHE射电星系，并提供了类星体中无谱截止的快速变亮现象的证据——这挑战了当前的辐射发射模型。

ABSTRACT

The MAGIC two 17 meter diameter Very High Energy (VHE) gamma-ray telescopes have now operated for two years in stereoscopic mode. The performance of the instrument has been evaluated: the integral sensitivity for an energy above 300 GeV is 0.76% crab units (10% Crab units differential sensitivity below 100 GeV) and the analysis threshold energy is 50 GeV. Highlights of the last two years of observations are the measurement of the Crab Nebula spectrum from ~50 GeV to ~50 TeV; the detection of the Crab pulsar up to an energy of 400 GeV, with energy spectra measured for both P1 and P2; the discovery of two new radiogalaxies at VHE (NGC 1275 and IC-310); the absence of an energy cutoff and the discovery of fast variability in the quasars 3C 279 and PKS 1222+21; the discovery at VHE and the characterization of numerous blazars; upper limits to the VHE emission of the Perseus cluster of galaxies and to Dark Matter annihilation in dwarf Spheroidals and the measurement of the electron+positron spectrum between 100 GeV and 3 TeV. MAGIC is currently undergoing a major upgrade of the readout and trigger electronics, and of the camera of the first telescope.

研究动机与目标

• 评估MAGIC立体成像大气契伦科夫望远镜系统在探测甚高能（VHE）伽马射线方面的性能。
• 测量从50 GeV到50 TeV宽能量范围内蟹状星云的能谱分布。
• 研究VHE源（如蟹状脉冲星、类星体和耀变体）的变异性与能谱特性。
• 搜索矮椭圆星系中暗物质湮灭的VHE辐射，以及如英仙座星团等扩展源的VHE发射。
• 对未识别的费米源设定VHE发射上限，并测量100 GeV至3 TeV之间的电子+正电子谱。

提出的方法

• MAGIC望远镜采用双17米直径契伦科夫望远镜的立体模式运行，通过升级相机和读出系统以提高灵敏度和角分辨率。
• 在0°至50°的天顶角范围内，对蟹状星云进行了49小时的观测，利用先进的分析技术实现了低能阈值重建。
• 仪器采用基于DRS4的2 GSamples/s读出系统和和信号触发系统，以减少死时间并提高触发效率。
• 通过将费米/LAT与MAGIC数据联合拟合曲率幂律谱，进行能谱分析，能量标度的不确定性作为系统误差传播。
• 通过蒙特卡罗模拟伽马射线和背景粒子（质子、氦核、电子）验证了仪器性能，结果与实测灵敏度和阈值一致。
• 对矮椭圆星系应用了一种新型分析方法，结合特定超对称暗物质模型的谱特征，以设定湮灭信号的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 MAGIC立体系统探测VHE伽马射线的能量阈值和灵敏度是多少？
• RQ2 由于克莱因-尼什纳效应，蟹状星云谱在10 TeV以上是否表现出谱截止？逆康普顿辐射的峰值位于何处？
• RQ3 类星体3C 279和PKS 1222+21的VHE辐射中是否存在快速变异性特征？是否表现出谱截止的证据？
• RQ4 对矮椭圆星系中暗物质湮灭的VHE发射以及未识别的费米源的VHE发射上限是多少？
• RQ5 100 GeV至3 TeV之间的电子+正电子谱形状如何？与理论预期相比有何差异？

主要发现

• MAGIC立体系统实现了50 GeV的能量阈值和高于300 GeV的积分灵敏度0.76% Crab单位，低于100 GeV的微分灵敏度为10% Crab单位。
• 蟹状星云谱从58 GeV测量至50 TeV，逆康普顿辐射峰值位于59 ± 6 GeV（仅统计误差）。
• 蟹状脉冲星被探测至400 GeV，对脉冲成分P1和P2的能量谱进行了测量，未发现谱截止的证据。
• 发现了两个新的VHE射电星系NGC 1275和IC-310，表现出独特的能谱特征。
• 在类星体3C 279和PKS 1222+21中观测到无能量截止的快速变异性，挑战了当前对这些源VHE辐射机制的模型。
• 对英仙座星系团和矮椭圆星系中暗物质湮灭的VHE发射设定了上限，其上限值比最乐观的超对称模型预测高出600倍。