[论文解读] Measurement of the Extragalactic Background Light with VERITAS

E. Pueschel|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文利用10年VERITAS对14个硬谱指数耀变体的观测，通过伽马射线衰减间接测量了银河系外背景光（EBL），探测波长范围为0.56至56 µm。在全面考虑系统不确定性的前提下，结果与星系计数所得的下限值高度一致，并对任何弥散EBL组分施加了严格约束。

ABSTRACT

The extragalactic background light records the history of infrared, optical and ultraviolet light radiation including re-radiation since the epoch of reionization. While challenging to measure directly, it can be measured indirectly via its impact on observed spectra of extragalactic gamma-ray emitters. VERITAS, a ground-based imaging atmospheric-Cherenkov telescope array sensitive to gamma rays above 100 GeV, has accrued 10 years of observations of hard-spectrum blazars. The energy and redshift range covered enables the measurement of the EBL in the range 0.56-56~$\mu$m, accessing the poorly constrained cosmic infrared background region. New constraints on the EBL resulting from the joint analysis using 16 spectra from 14 VERITAS-observed blazars will be presented. The method is independent of assumptions about the shape of the EBL spectrum, and includes a full treatment of systematic and statistical uncertainties. The measured spectrum is in good agreement with lower limits from galaxy counts, limiting the potential contribution from a diffuse component.

研究动机与目标

• 通过间接伽马射线衰减方法，测量在约束较差的红外波段（0.56–56 µm）的银河系外背景光（EBL）。
• 通过使用具有不同红移和能量的大量高能耀变体样本，减少EBL测量中的不确定性。
• 通过采用模型无关的分析方法，最小化对EBL谱形的假设。
• 通过全面处理能量标度、红移和EBL演化带来的系统不确定性，提升测量的可靠性。

提出的方法

• 利用VERITAS对14个硬谱指数耀变体（包括13个HBL和1个IBL）10年的观测数据，测量伽马射线能谱。
• 使用标准VERITAS校准与重建流程重建光子能谱，并采用幂律、对数抛物线或幂律加指数截断模型进行拟合。
• 对14个源的16条能谱进行联合谱分析，提取EBL强度随波长的变化关系。
• 通过调整红移边界，考虑PG 1553+113和3C 66A的红移不确定性，以及±20%的能量标度不确定性与有限能量分辨率，处理系统不确定性。
• 通过采用两种广泛使用的理论模型，传播EBL红移演化带来的不确定性，以估计光学厚度的不确定性。
• 计算EBL强度的68%和95%包含区间，综合考虑所有统计与系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.56–56 µm范围内，EBL谱能量分布（SED）如何，特别是在宇宙红外背景区域？
• RQ2 VERITAS测量结果与星系计数所得的下限值以及直接测量所得的上限值相比如何？
• RQ3 所测EBL强度在多大程度上限制了已解析源之外的弥散EBL组分的存在？
• RQ4 系统不确定性（尤其是能量标度、红移和EBL演化）对最终EBL强度约束的影响有多大？

主要发现

• VERITAS在EBL强度上的68%包含区间在0.56–56 µm范围内与星系计数推导出的下限值高度一致。
• 所测EBL谱与星系计数下限值仅有微小偏离，表明额外弥散组分的预算有限。
• VERITAS能量标度不确定性使68%包含区间展宽不超过10%，EBL红移演化不确定性使展宽不超过12%。
• 在λ ≈ 10 µm波长处，VERITAS测量提供了当前间接EBL测量中最强的约束。
• 结果与广泛使用的参考文献[7]中的理论EBL模型高度一致，支持该模型在红外波段的有效性。
• 该分析表明，即使部分源的红移精度有限，采用模型无关方法并全面处理不确定性的分析仍能获得稳健的EBL约束。