[论文解读] New pulsars detected in gamma-rays with the Fermi-LAT

H. Laffon, D. A. Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 14被引用 10

一句话总结

本文利用费米-LAT的Pass 8事件重建方法，检测到11个新的伽马射线脉冲星——其中10个为新发现，1个为此前已知——该方法将低能灵敏度提高了40%。增强的灵敏度使得在密集的银河系中心区域能够探测到暗淡且自旋降能功率较高的脉冲星，包括三个此前因背景过高或波束几何限制而未被探测到的高能脉冲星，其自旋降能功率 $\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/s。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope (LAT) is a powerful pulsar detector, as demonstrated by the over one hundred objects in its second catalog of pulsars. Pass 8 is a new reconstruction and event selection strategy developed by the Fermi-LAT collaboration. Due to the increased acceptance at low energy, Pass 8 improves the pulsation detection sensitivity. Ten new pulsars rise above the 5 sigma threshold and are presented in this work, as well as one previously seen with the former Pass 7 reconstruction. More than 60$\%$ of the known pulsars with spin-down power ($\dot{E}$) greater than $10^{36}$ erg/s show pulsations in gamma-rays, as seen with the Fermi Large Area Telescope. Many non-detections of these energetic pulsars are thought to be a consequence of a high background level, or a large distance leading to a flux below the sensitivity limit of the instrument. The gamma-ray beams of the others probably miss the Earth. The new Pass 8 data now allows the detection of gamma ray pulsations from three of these high spin-down pulsars, PSRs J1828$-$1101, J1831$-$0952 and J1837$-$0604, as well as three others with $\dot{E}$ $\ge 10^{35}$ erg/s. We report on their properties and we discuss the reasons for their detection with Pass 8.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT更新后的Pass 8重建算法和事件选择策略，识别新的伽马射线脉冲星。
• 克服以往因高背景水平、大距离或波束几何限制而无法探测到的高自旋降能功率脉冲星的局限。
• 评估灵敏度提升对 $\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/s 脉冲星探测率的影响，并分析波束几何在未探测到脉冲星中的作用。
• 评估Pass 8在探测无线电安静脉冲星方面的有效性，特别是在银河系中心密集区域。
• 通过分析新探测到的高 $\dot{E}$ 源，进一步完善对脉冲星辐射几何结构和伽马射线死亡线的理解。

提出的方法

• 应用Pass 8重建算法，相比Pass 7，其低能接受度和信背比均有提升。
• 利用精确的GPS时间戳（≤1 μs）和已知的航天器位置，对伽马射线事件进行相位折叠分析。
• 采用概率加权方法，提升光曲线折叠中微弱源的调制显著性。
• 利用地面望远镜（如纳沙伊、格林班克）提供的无线电星历表，实现对已知脉冲星的相干时间分析。
• 对未识别的LAT源进行盲周期搜索，并开展深度无线电后续观测，以识别新脉冲星，特别是毫秒脉冲星。
• 将探测到的脉冲星与 $\sqrt{\dot{E}}/d^2$ 粗略通量估计器进行比较，以评估探测阈值和灵敏度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pass 8提升的低能灵敏度对探测暗淡及高自旋降能功率伽马射线脉冲星有何影响？
• RQ2 为何某些高-$\dot{E}$ 脉冲星在Pass 7中未被探测到？距离、背景或波束几何等因素如何限制其探测？
• RQ3 伽马射线探测脉冲星的比例如何随自旋降能功率变化？这对辐射几何结构和探测阈值有何启示？
• RQ4 波束几何和信背比在解释尽管 $\dot{E}$ 足够但未能探测到高能脉冲星的现象中起多大作用？
• RQ5 Pass 8能否在高背景区域（如银河系中心）探测到无线电安静脉冲星？这揭示了LAT灵敏度极限的哪些信息？

主要发现

• 在Pass 8中探测到10个新的伽马射线脉冲星，其中包括三个在Pass 7中未被探测到的 $\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/s 脉冲星：PSRs J1828−1101、J1831−0952 和 J1837−0604。
• Pass 8重建使点源灵敏度提升40%，使能量通量低于 $5 \times 10^{-12}$ erg cm⁻² s⁻¹ 的脉冲星得以探测。
• 超过60%的已知 $\dot{E} > 10^{36}$ erg/s 脉冲星现已被伽马射线探测到，表明自旋降能功率与可探测性之间存在强相关性。
• 六个新发现的年轻脉冲星位于银河系中心区域，此前因高弥漫发射和背景水平而难以探测。
• 当 $\sqrt{\dot{E}}/d^2 < 10^{15} \sqrt{\text{erg s}^{-1}} \text{ kpc}^{-2}$ 时，探测脉冲星的比例降为零，证实了灵敏度和 $\dot{E}$-死亡线限制的存在。
• 探测到无线电安静脉冲星，证实波束几何是未探测到脉冲星的主要因素，因为即使 $\dot{E}$ 很高，其伽马射线束也可能未指向地球。