[论文解读] Observation of Radio Galaxies and Clusters of Galaxies with VERITAS

N. Galante|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

VERITAS 对射电星系 NGC 1275 和 3C 111 以及室女座星系团进行了观测，以搜寻甚高能（VHE）伽马射线辐射。尽管灵敏度很高，但未检测到显著的 VHE 信号；对 NGC 1275 在 250 GeV 以上的积分上界为 2.58 × 10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹，对室女座星系团的上界约为蟹状星云通量的 3%，从而对这些源中的粒子加速和暗物质湮灭模型形成了约束。

ABSTRACT

Radio galaxies are the only non-blazar extragalactic objects detected in the VHE (E >100 GeV) band. These objects enable the investigation of the main substructures of the AGN, in particular the core, the jet and its interaction with the intergalactic environment. Clusters of galaxies, instead, have not been detected by gamma-ray observatories. These objects are collections of up to thousands of galaxies and are the densest large-scale structures in the universe. Galaxy clusters consist of up to 85% dark matter, that could reveal its presence through self-annihilation and VHE gamma-ray emission. The observation of non-thermal diffuse radio emission in galaxy clusters suggests the presence of accelerated particles and high magnetic fields that can also produce VHE emission. Results from the VERTIAS observations of radio galaxies and galaxy clusters will be presented.

研究动机与目标

• 研究射电星系（目前唯一在 VHE 波段被探测到的非耀变体河外源）的 VHE 伽马射线辐射。
• 检验以暗物质为主导的星系团是否通过自湮灭或强子过程发射 VHE 光子。
• 利用高灵敏度 VHE 观测，探测活动星系核喷流和星系团内介质中的非热粒子加速机制。
• 通过在更大喷流倾角下对射电星系的 VHE 检测或非检测结果，约束喷流结构模型（如脊鞘模型）。
• 增进对大尺度天体物理结构（如活动星系核喷流和星系团）中宇宙射线加速机制的理解。

提出的方法

• VERITAS 在 2008 年对射电星系 NGC 1275 和 3C 111 以及室女座星系团进行了观测，天顶角范围为 9° 至 30°。
• 数据经过筛选，排除了天气条件差或存在技术问题的观测，最终保留了 3C 111 的 11 小时、M 87 的 8 小时和室女座星系团的 19 小时观测数据。
• 采用标准 VEGAS 分析方法，通过 shower 图像重建和基于图像长度与宽度的背景抑制，以区分伽马射线与质子引起的 shower。
• 背景抑制阈值通过使用类似蟹状星云的能谱进行优化，以最大化对 VHE 信号的灵敏度。
• 采用泊松背景建模方法，在探测效率不确定性为 20% 的前提下，以 99% 置信水平计算上界。
• 对室女座星系团执行了扩展源分析，假设辐射区域为以核心为中心的中等扩展区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 射电星系如 NGC 1275 和 3C 111 是否发射可探测的 VHE 伽马射线？若存在，这对喷流结构和粒子加速模型有何启示？
• RQ2 星系团如室女座是否可通过暗物质自湮灭或强子过程产生 VHE 伽马射线？
• RQ3 星系团中观测到的非热射电与 X 射线辐射是否与相对论性电子或质子的 VHE 辐射一致？
• RQ4 对大倾角射电星系的 VHE 观测结果是否支持脊鞘喷流模型而非均匀 SSC 模型？
• RQ5 非探测结果对活动星系核喷流和星系团内介质中的辐射亮度与粒子加速效率设定了何种约束？

主要发现

• 在 99% 置信水平下，NGC 1275 未检测到显著的 VHE 伽马射线信号，其在 250 GeV 以上的积分上界为 2.58 × 10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹（初步结果）。
• 对室女座星系团的分析未发现点源或扩展 VHE 辐射的证据，对以核心为中心的中等扩展区域，初步上界约为蟹状星云通量的 3%。
• 3C 111 的观测仍在进行中，尚未检测到信号，但数据质量足够，有效观测时间为 11 小时，可进行分析。
• NGC 1275 和室女座星系团的零检测结果，对活动星系核喷流和星系团内介质中的强子与轻子辐射模型形成了约束。
• 结果与这些源中缺乏强 VHE 辐射的假设一致，表明粒子加速效率可能较低，或 VHE 能段的辐射机制被抑制。
• 上界结果为星系团中暗物质湮灭模型以及活动星系核喷流中的强子过程提供了关键约束。