[论文解读] Multi-messenger and transient astrophysics with the Cherenkov Telescope Array

Ž. Bošnjak, A. M. Brown+143 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，甚高能（VHE，>100 GeV）伽马射线探测将使切伦科夫望远镜阵列（CTA）在多信使和暂现天体物理学领域实现革命性突破，能够探测伽马射线暴（GRBs）、核心塌缩超新星（CCSNe）和银河系暂现源等暂现源的VHE伽马射线。CTA凭借其高灵敏度、全天覆盖和快速响应能力，将能够研究包括自 Compton 效应在内的同步辐射过程在内的VHE发射机制，并通过与LIGO、IceCube和维拉·鲁宾天文台等设施的多波段和多信使协同观测，探测粒子加速、宇宙射线物理和基础物理。关键成果包括每年潜在探测到多个VHE GRB，以及对CCSNe中粒子加速效率和最大能量的更严格约束。

ABSTRACT

The discovery of gravitational waves, high-energy neutrinos or the very-high-energy counterpart of gamma-ray bursts has revolutionized the high-energy and transient astrophysics community. The development of new instruments and analysis techniques will allow the discovery and/or follow-up of new transient sources. We describe the prospects for the Cherenkov Telescope Array (CTA), the next-generation ground-based gamma-ray observatory, for multi-messenger and transient astrophysics in the decade ahead. CTA will explore the most extreme environments via very-high-energy observations of compact objects, stellar collapse events, mergers and cosmic-ray accelerators.

研究动机与目标

• 确立CTA作为研究天体暂现源和多信使源中非常高能（VHE）伽马射线发射的领先设施。
• 探究伽马射线暴（GRBs）中VHE发射的物理机制，特别是像GRB 190114C中观测到的高能谱成分的起源。
• 评估CTA探测和表征核心塌缩超新星（CCSNe）在爆发后数天至数年内VHE发射的能力，以研究粒子加速和宇宙射线产生。
• 实现对引力波、中微子和光学巡天触发的暂现源的快速跟进观测，提升多信使源的识别和表征能力。
• 通过高统计量的VHE暂现现象观测，增进对粒子加速、激波特性和基础物理的理解。

提出的方法

• 利用CTA的双阵列设计（北半球和南半球）实现全天覆盖，并在20 GeV至>100 TeV的能量范围内提升灵敏度。
• 利用快速转向和快速响应能力，对来自LIGO/Virgo/KAGRA（引力波）、IceCube-Gen2/KM3NeT/GVD（中微子）和维拉·鲁宾天文台（光学/紫外暂现源）的暂现触发事件进行跟进观测。
• 通过同步辐射和自 Compton 效应（SSC）模型模拟GRBs的VHE发射，以解释延伸至TeV波段的观测谱成分。
• 通过激波中物质的强子相互作用（π介子产生）模拟核心塌缩超新星（CCSNe）的伽马射线发射，考虑激波特性和质量损失率及星风密度分布。
• 考虑光子-光子对产生（双光子湮灭）作为主要的吸收机制，该机制可能在超新星爆发后最初几天内抑制VHE信号。
• 将理论建模与CTA的预期灵敏度曲线（例如，4台LST和CTA-北的5小时积分）相结合，预测不同暂现源类别的探测率和信号可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GRB 190114C和180720B等事件中探测到的VHE伽马射线发射的物理起源是什么？其是否与低能辐射来自同一辐射区域的自 Compton 效应（SSC）过程有关？
• RQ2 VHE发射在GRBs中多大程度上出现在余晖阶段？在T₀ + 10小时后，何种条件可使可探测的VHE信号持续存在，尤其是超出爆发相之后？
• RQ3 核心塌缩超新星中粒子加速的效率如何？从VHE伽马射线发射中推断出的粒子最大能量和谱指数是多少？
• RQ4 核心塌缩超新星在银河系宇宙射线产生中扮演何种角色？CTA能否在约10 Mpc范围内探测到这些源的强子伽马射线信号？
• RQ5 光子-光子对产生和其他吸收机制如何影响年轻超新星VHE伽马射线的可探测性？CTA仍可探测的观测窗口有哪些？

主要发现

• 基于初步灵敏度估计和对当前IACT探测结果（如GRB 190114C和GRB 201216C）的外推，预计CTA每年将探测到多个非常高能（VHE）伽马射线暴。
• 在T₀ + 10小时探测到GRB 180720B的VHE发射，远超爆发相，挑战了仅依赖同步辐射的模型，提示需要持续的粒子加速或再加速机制。
• GRB 190114C的多波段谱（从X射线延伸至TeV能量）需要标准同步辐射之外的额外谱成分，强烈表明其VHE发射源于自 Compton 效应（SSC）过程。
• 对于距离约10 Mpc以内的核心塌缩超新星，CTA在10 GeV以上的灵敏度有望探测到由π介子产生引起的强子伽马射线信号，尤其在爆发后数月内。
• 光子-光子对产生可在超新星爆发后最初几天内将VHE伽马射线信号抑制高达10个数量级，显著降低可探测性，除非发射足够明亮或环境足够透明。
• CTA的全天覆盖能力和快速响应时间将使其能够探测和表征多种银河系暂现源，包括微类星体、脉冲星风星云爆发、新星以及吸积阶段的过渡毫秒脉冲星（tMSPs）。