[论文解读] Observation of LS I +61 303 with VERITAS

G. Maier|ArXiv.org|Sep 23, 2007

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用 3

一句话总结

VERITAS 检测到来自大质量 X 射线双星 LS I +61 303 的高度可变的甚高能伽马射线辐射，在轨道远星点（相位 ~0.73）时通量峰值约为蟹状星云通量的 10%。该辐射受到 26.5 天轨道周期的强烈调制，表明粒子加速或传播过程与双星系统的几何结构紧密耦合，很可能是由于致密天体与 Be 星致密星风之间的相互作用所致。

ABSTRACT

The high mass X-ray binary LS I +61 303 has been observed over several months in 2006 and 2007 with the VERITAS array of imaging air-Cherenkov telescopes. A signal of high energy gamma rays with energies above 350 GeV is detected in several orbital cycles of the binary system. The detected flux of gamma rays is strongly variable with the orbital period of 26.5 days, while the maximum flux (corresponding to about 10% of the flux of the Crab Nebula)is always found at approximately apastron, suggesting a strong dependence of particle acceleration and/or propagation on the relative position of the two objects in the system.

研究动机与目标

• 使用 VERITAS 切伦科夫望远镜阵列检测并表征来自大质量 X 射线双星 LS I +61 303 的甚高能（VHE）伽马射线辐射。
• 研究 VHE 伽马射线通量与轨道相位的相关性，以检验致密双星系统中粒子加速模型。
• 确定伽马射线辐射是否为点源且在空间上与光学对应体一致，从而确认其起源于双星系统。
• 约束辐射的能谱和时间行为，特别是在高态轨道相位期间的行为。
• 通过与同时段的 X 射线数据比较，提供多波段背景信息，作为更广泛理解辐射机制努力的一部分。

提出的方法

• 观测使用位于弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台的 VERITAS 四台成像大气切伦科夫望远镜阵列进行，采用偏移指向的“晃动模式”观测，以最小化背景噪声。
• 数据于 2006 年和 2007 年共收集了 44 小时，其中 2006 年 9 月至 11 月使用两台望远镜，2007 年 1 月至 2 月使用三台望远镜，确保对 350 GeV 以上 VHE 伽马射线具有高灵敏度。
• 通过多个独立的分析软件包和方法进行背景抑制，包括宇宙射线抑制技术及对簇射图像的统计建模。
• 按轨道相位区间计算过量事件的显著性，通量以蟹状星云通量单位报告，并对能量阈值和有效面积进行修正。
• 构建显著性天空图以检验辐射的空间扩展性，将过量与望远镜的点扩散函数（PSF）进行比较。
• 对伽马射线光 light curve 应用 Lomb-Scargle 周期图分析，以检验 26.5 天轨道周期的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LS I +61 303 是否在 26.5 天轨道周期上表现出显著的 VHE 伽马射线辐射调制？
• RQ2 峰值伽马射线通量是否如相对论性激波或喷流束定模型所预测的那样，始终在远星点附近出现？
• RQ3 伽马射线辐射的空间扩展是否与 LS I +61 303 位置处的点源一致？
• RQ4 通量在不同轨道周期中如何变化？光 light curve 是否显示出周期间变化的证据？
• RQ5 伽马射线辐射的谱指数和通量水平是多少？与蟹状星云相比有何差异？

主要发现

• VERITAS 以总显著性 8.8σ 检测到 LS I +61 303，确认其为 VHE 伽马射线源。
• 伽马射线通量强烈受轨道相位调制，在轨道相位 0.5 至 0.8（对应远星点）期间达到最高通量（最高达蟹状星云通量的 10%）。
• 高态期间的通量具有可变性，范围从低于 3% 到高于 10% 的蟹状星云通量，最大通量出现在相位 ~0.73 处。
• 过量事件的空间分布与点源一致，峰值位置与 LS I +61 303 的光学对应体对齐。
• Lomb-Scargle 分析确认轨道周期为 26.4960 天，显著性概率达 99.94%，支持辐射的轨道调制。
• 低态期间（如 2007 年 2 月）的通量上限与非检测结果一致，350 GeV 以上通量的 99% 置信度上限为 <0.065 蟹状星云单位。