[论文解读] Morphological and spectral measurements of 2HWC J1928+177 with HAWC and H.E.S.S

R. López-Coto, V. Marandon+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 5

一句话总结

本研究结合HAWC与H.E.S.S.的数据，分析TeV源2HWC J1928+177的形态与能谱，结论认为其最可能为由83 kyr龄脉冲星PSR J1928+1746驱动的脉冲星风星云（PWN）。该源在>10 TeV能量下呈现点状形态，且具有硬幂律谱（Γ ≈ 2.6），与电子-正电子对级联辐射一致；而强子模型则要求质子加速效率高得不切实际，因此PWN起源是最合理的解释。

ABSTRACT

2HWC J1928+177 is a source recently discovered at TeV energies in the second HAWC catalog. It is coincident with the Fermi unidentified source 3FGL J1928+1739 and the pulsar PSR J1928+1746, which is 83 kyr old and located at a distance of 5 kpc with an Edot=1.6 x 10$^{36}$ erg/s. 2HWC J1928+177 is not detected by any of the IACTs currently in operation, which puts strong constrains on the morphology and spectrum of the source. There is no sign of shell-like structure in the region at other wavelengths, which in addition to the presence of a pulsar at the center, points to a Pulsar Wind Nebula origin of the TeV emission. We present a dedicated morphological and spectral analysis of the region using HAWC and H.E.S.S. data to unveil the nature of the source and study its properties.

研究动机与目标

• 确定HAWC探测到的TeV伽马射线发射源2HWC J1928+177的起源。
• 利用多仪器数据解析该源的形态与能谱特性。
• 检验该发射是否源于脉冲星风星云（PWN）或涉及质子-质子碰撞的强子起源。
• 评估该源与基于脉冲星自转降能功率和年龄的PWN现象学模型的一致性。

提出的方法

• 利用760.3天有效观测时间（2014年11月至2017年2月）的HAWC数据，采用fHit能量区间以提升角分辨率，并在高能段探测形态特征。
• 基于30小时的H.E.S.S.观测，采用0.1°和0.4°积分半径计算上界，安全能量阈值约为500 GeV。
• 谱拟合采用单幂律模型：dN/dE = f₀(E/E₀)⁻ᵞ，其中E₀ = 7 TeV，f₀ = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹，Γ = 2.60 ± 0.09。
• 应用现象学PWN模型，将该源在TeV波段的效率、光度与光子指数与脉冲星群体趋势进行比较，作为自转降能功率与特征年龄的函数。
• 测试强子发射模型，假设来自质子-质子碰撞的π⁰衰变，介质密度为n = 1 cm⁻³。
• 能量预算计算估计了1 TeV以上电子总能量（Wₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ erg）与质子总能量（Wₚ = 1.72⁺⁰.¹₃₋₀.³×10⁵⁰ erg）。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HWC J1928+177的VHE伽马射线发射是否与PSR J1928+1746驱动的脉冲星风星云（PWN）起源一致？
• RQ2 该源在10 TeV以上能量的本征形态为何？是否存在能量依赖的结构？
• RQ3 观测到的谱能否由电子-正电子对级联发射解释，还是需要强子组分？
• RQ4 为驱动观测到的VHE发射，需动用脉冲星自转降能的多大比例？该比例对PWN是否可行？
• RQ5 与已知PWN群体相比，该源在光度、效率与谱指数方面表现如何？

主要发现

• HAWC对2HWC J1928+177的探测显著性约为10σ，幂律谱拟合为dN/dE = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹ × (E/7 TeV)⁻².⁶⁰，能量范围从~1 TeV至86 TeV。
• 在>10 TeV能量下，该源呈现点状形态，角分辨率约为0.2°，表明其在最高能量下具有紧凑形态。
• H.E.S.S.的上界与最大0.4°的源尺寸相容，但HAWC数据更支持高能段的更小、点状形态。
• 基于电子的PWN模型在68%置信区间内与现象学PWN趋势一致，涵盖光度、TeV波段效率与光子指数随脉冲星自转降能功率与年龄的变化。
• 强子模型要求超过10%的超新星爆发能量被输运至1 TeV以上质子的加速，这一效率过高，与典型SNR环境不一致。
• 1 TeV以上电子的总能量为Wₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ erg，仅占脉冲星总自转降能预算的极小部分（约0.5%），表明基于电子的辐射机制是可行的。