[论文解读] Microquasar observations with the MAGIC telescope

T. Saito, R. Zanin+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 12

一句话总结

本研究利用位于西班牙拉帕尔马的MAGIC望远镜，对四颗银河系微类星体——GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3 和 SS 433——进行了首次长期甚高能（VHE）伽马射线观测，时间跨度为2005年至2008年。尽管在低/硬X射线状态和射电爆发期间触发了观测，但未检测到显著的稳定或瞬时VHE辐射，因此对通量设定了严格的上限，并对喷流中粒子加速效率在强子模型下的约束提供了限制。

ABSTRACT

Microquasars, X-ray binaries displaying relativistic jets driven by accretion onto a compact object, are some of the most efficient accelerators in the Galaxy. Theoretical models predict Very High Energy (VHE) emission at the base of the jet where particles are accelerated to multi-TeV energies. This emission could be detected by present IACTs. %Moreover, gamma-ray fluxes should increase during flaring events when accretion rates are enhanced. The MAGIC telescope observed the microquasars GRS 1915+105, Cyg X-3, Cyg X-1 and SS433 for ~ 150 hours in total from 2005 to 2008. We triggered our observations by using multi wavelength information through radio flaring alerts with the RATAN telescope as well as by ensuring the low/hard state of the source through RXTE/ASM and Swift/BAT monitoring data. We report on the upper limits on steady and variable emission from these sources over this long period.

研究动机与目标

• 搜索四颗著名银河系微类星体——GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3 和 SS 433——的稳定与可变甚高能（VHE）伽马射线辐射。
• 检验理论预测：微类星体作为高效的粒子加速器，应在相对论喷流基底处发射VHE伽马射线。
• 通过多波段警报（RATAN-600的射电爆发）和X射线状态监测（RXTE/ASM、Swift/BAT）触发观测，以提高探测灵敏度。
• 利用非探测结果，对强子喷流模型中动能功率传递给加速粒子的比例进行约束。
• 评估在微类星体中探测与射电和硬X射线爆发相关的瞬时VHE耀斑的可行性。

提出的方法

• 使用位于西班牙拉帕尔马的MAGIC成像大气契伦科夫望远镜，其有效反射面积为236 m²，配备576像素光电倍增管相机。
• 采用双FADC系统：2005至2007年使用300 MSample/s的Siegen-FADC，2007年2月起升级为2 GSample/s的Mux-FADC，以提升时间分辨率并抑制背景。
• 执行标准数据还原流程：校准、图像清洗、Hillas参数提取，并对Mux-FADC数据引入时间梯度和展宽信息。
• 使用随机森林（RF）机器学习方法计算“强子性”以抑制强子背景并估算能量。
• 对Siegen-FADC数据使用DISP方法，对Mux-FADC数据使用Alpha方法，以最小化过量事例计数中的系统不确定性。
• 剔除触发率过高、天顶角>50°或光子数<200 ph.e.的事件，以确保背景控制和探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硬X射线爆发和低/硬X射线状态期间，微类星体Cyg X-1是否表现出可探测的VHE伽马射线辐射？
• RQ2 在3.5年的基线时间内，GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3 和 SS 433 的稳定VHE辐射通量上限是多少？
• RQ3 VHE辐射的非探测结果能否约束这些源在强子喷流模型中的粒子加速效率？
• RQ4 是否存在与射电或硬X射线爆发相关的瞬时VHE耀斑的证据？
• RQ5 光子吸收和电磁级联效应如何影响微类星体环境中VHE伽马射线的可探测性？

主要发现

• 在2005至2008年期间，对四颗源总计约150小时的观测中，未检测到GRS 1915+105、Cyg X-1、Cyg X-3 或 SS 433 的显著VHE伽马射线辐射。
• 2006年9月24日，在Cyg X-1观测到一个4.0σ（预试验）信号，当时处于硬X射线爆发和低/硬X射线状态，但该信号未被确认为真实探测。
• 对于Cyg X-1，95%置信度的通量上限为7.3 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹（5.6天轨道周期），有效积分时间为3.1小时。
• 对于SS 433，通量上限为6.5 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹（13.1天轨道周期），有效积分为0.98小时。
• 利用MAGIC的非探测结果，并假设低吸收的进动相位，SS 433中质子的强子加速效率 $ q_{\rm accel} $ 被约束为 ≤ 7.4 × 10⁻⁵。
• 由于观测在更低吸收相位进行且灵敏度提升，该 $ q_{\rm accel} $ 上限显著优于基于HEGRA数据的先前估计。