[论文解读] Modeling the high-energy radiation in gamma-ray binaries

Benoît Cerutti, G. Dubus+1 more|ArXiv.org|Dec 18, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文通过脉冲星风 nebula 模型模拟伽马射线双星中的高能辐射，其中年轻脉冲星产生的相对论性电子-正电子对通过逆康普顿散射产生GeV和TeV辐射。费米对LS I +61°303的观测显示，GeV谱存在一个与γγ吸收不一致的谱截止，表明GeV成分可能源自未受激波影响的脉冲星风，尽管该模型的轨道调制相位与观测结果不匹配。

ABSTRACT

Gamma-ray binaries are orbital modulated gamma-ray sources in the Galaxy detected both at GeV and TeV energies. The high-energy radiation may come from the interaction of energetic electrons injected by a young pulsar and photons from the massive companion star. We present a model for the production of high-energy radiation where emission, absorption and pair cascading are considered. New observations of LS I +61 303 by the Fermi Space Telescope revealed an exponential cut-off in the spectrum at a few GeV, inconsistent with gamma-gamma absorption. Electrons radiating at GeV and TeV have probably two different origins. We investigate whether the emission from the unshocked pulsar wind explains the GeV component in LS I +61 303.

研究动机与目标

• 解释伽马射线双星中的高能辐射，特别是GeV和TeV辐射成分。
• 研究未受激波影响的脉冲星风是否能解释费米在LS I +61°303中观测到的GeV成分。
• 将LS I +61°303中观测到的轨道调制与未受激波影响风的逆康普顿辐射理论模型相协调。
• 评估对撞级联、光子-光子吸收和辐射非各向同性在塑造光谱和时间特征中的作用。
• 解决观测到的费米光曲线与标准脉冲星风 nebula 模型预测之间的差异。

提出的方法

• 建模未受激波影响的脉冲星风中相对论性对子与恒星光子相互作用产生的逆康普顿辐射。
• 采用软幂律对子注入谱，谱指数≈3.1，能量截止在≈25 GeV处。
• 通过改变视线方向和恒星相对位置，计算伽马射线通量的轨道调制。
• 在LS 5039的光谱建模中纳入光子-光子吸收和对撞级联效应。
• 使用2009ApJ…698..514A中的轨道参数，将理论光曲线和光谱与费米和MAGIC观测进行比较。
• 评估脉冲星风的光度需求以匹配观测通量，发现Lp > 10^37 erg·s⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 未受激波影响的脉冲星风能否解释费米在LS I +61°303中观测到的GeV谱成分？
• RQ2 为何未受激波影响风辐射的理论光曲线峰值出现在轨道相位φ ≈ 0.15，而观测到的费米调制峰值出现在φ ≈ 0.25？
• RQ3 如果未受激波影响的风是辐射源，何种物理机制可能导致观测到的GeV调制出现相位偏移？
• RQ4 在LS 5039中，辐射、吸收与对撞级联如何相互作用，从而塑造光谱和时间特征？
• RQ5 为何LS I +61°303中观测到的6.3 GeV谱截止与γγ吸收不一致？这又对辐射起源意味着什么？

主要发现

• LS I +61°303中观测到的6.3 GeV谱截止无法用γγ吸收解释，排除了GeV成分源自简单激波风的可能性。
• 只有当脉冲星光度超过10^37 erg·s⁻¹时，未受激波影响的脉冲星风模型才能重现观测到的GeV通量。
• 未受激波影响风的理论光曲线在轨道相位φ ≈ 0.15（接近近日点前）达到峰值，但观测到的费米峰值出现在φ ≈ 0.25，表明存在相位偏移。
• 该模型预测在近日点后通量急剧下降，这是由于对子与恒星光子的正碰效率低下所致，与观测到的下降趋势一致。
• LS 5039的光谱中缺乏可探测的线状特征，表明脉冲星风的洛伦兹因子要么较低（γ < 10⁴），要么非常高（γ > 10⁷）。
• 未受激波影响的风模型无法在不引入未解释的相位超前Δφ ≈ +0.25的情况下，完全解释观测到的GeV调制，表明需要进一步的物理解释。