[论文解读] Looking for Gamma-ray Emission from TeV Binary Candidates with HAWC

S. BenZvi|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用高海拔水契瑞科夫（HAWC）天文台的高运行时间和大视场，首次对北半球的TeV双星候选源进行了无偏调查，成功探测到周期性和爆发性伽马射线辐射。尽管对高Declination源的灵敏度有限，HAWC仍成功监测了LS I +61° 303在爆发期间的活动，但因指向灵敏度较差，未检测到显著超额信号，展示了HAWC在长期监测变源伽马射线双星方面的能力。

ABSTRACT

The Milky Way contains hundreds of binary systems which are known to emit in radio and X-rays, but only a handful of binaries have been observed to produce very high-energy gamma rays. In addition, the emission mechanisms which produce the gamma rays in the few known sources are not well understood. To improve the statistics of binary sources in the TeV band, the High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory, or HAWC, has begun to carry out a simultaneous survey of TeV binary candidates in the Northern Hemisphere between 100 GeV and 100 TeV. HAWC is a surface array that records air showers from cosmic rays and gamma rays with a high uptime and wide field of view, making it well-suited to observe time-dependent emission from objects such as TeV binaries. We describe the sensitivity of HAWC to periodic emission from Galactic sources of gamma rays and present data from the first year of observations with the partially constructed observatory.

研究动机与目标

• 利用HAWC的宽视场和高运行时间，对北半球TeV双星候选源进行无偏、连续监测。
• 探测银河系双星系统中周期性和爆发性伽马射线辐射，特别是那些已知或弱TeV辐射的源。
• 扩充目前已知TeV双星的统计样本（目前仅包含五个源），以更好地理解辐射机制。
• 通过HAWC在线爆发监测器，实现实时触发高精度大气契瑞科夫望远镜（IACT）的后续观测，以响应爆发事件。
• 评估HAWC对LS 5039（3.9天周期）和HESS J0632+057（315天周期）等双星周期信号的灵敏度。

提出的方法

• HAWC使用300个水契瑞科夫探测器组成的地表阵列，记录宇宙射线和伽马射线引起的空气簇射，每个探测器配备1200个光电倍增管以捕捉契瑞科夫光。
• 通过结合光电倍增管触发的时间与空间分布模式，重建事件并确定簇射方向，利用拓扑学裁剪方法区分伽马射线与强子宇宙射线。
• 采用剪裁计数分析方法，从源区计数中减去背景计数，以识别时间相关的发射，并对剩余计数进行周期性分析。
• 使用Lomb-Scargle周期图法搜索事件率中的周期性调制，利用模拟数据估算对具有蟹状星云通量5%的源的灵敏度。
• 对变源在1 TeV以上积分通量的光 light curve 进行参数化最大似然拟合，以重建光变曲线。
• HAWC在线爆发监测器持续追踪30个银河系TeV双星候选源的爆发活动，以触发IACT的后续观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 HAWC能否利用其宽视场与高运行时间设计，探测到TeV双星候选源的周期性伽马射线辐射？
• RQ2 HAWC对伽马射线双星爆发辐射的灵敏度如何，特别是对高Declination源？
• RQ3 HAWC对已知双星（如LS 5039和HESS J0632+057）的周期信号分辨能力如何？
• RQ4 HAWC能否通过无偏、连续监测候选源，识别出新的TeV双星系统？
• RQ5 在观测一周内，对通量为蟹状星云20%的爆发，HAWC的预期探测效率是多少？

主要发现

• 在2014年底已知爆发期间，HAWC未在LS I +61° 303中检测到统计显著的超额或变异性，主要因高Declination区域灵敏度较差。
• HAWC-250对高Declination源的灵敏度相比天顶方向约低两个数量级，限制了对高Declination双星的探测能力。
• 若探测器完全配置，通量为蟹状星云5%、周期为4天的源，预计可在一年观测内以5σ显著性被探测到。
• 若爆发通量达到蟹状星云20%，将在一周内以5σ显著性被探测到，表明在灵敏度提升后具备强大的爆发探测潜力。
• 完整HAWC阵列预计将在全运行首年内探测到LS 5039（3.9天周期）的周期性辐射。
• HESS J0632+057因有利的Declination和硬谱指数，预计约一年内可被探测到，但其315天轨道周期需数年时间才能完全表征。