[论文解读] Observation of the Supernova Remnant IC 443 with VERITAS

VERITAS Collaboration, T. B. Humensky|ArXiv.org|Sep 27, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

VERITAS 在 6.0σ 的事后显著性下探测到超新星遗迹 IC 443 的甚高能（VHE）伽马射线辐射，能量高于 200 GeV 时的通量约为蟹状星云的 3–4%。该辐射在空间上与致密分子云及 OH maser 位置一致，表明其起源于宇宙射线与云层相互作用的强子过程，而非与附近脉冲星风 nebula 的关联。

ABSTRACT

Shell-type supernova remnants (SNRs) accelerate particles at the shock front between the expanding remnant and the swept-up interstellar medium. If these particles include protons and nuclei, very-high-energy gamma-ray emission may result from the decay of pions produced in interactions between cosmic rays and the local insterstellar medium. For SNRs that are interacting with a nearby molecular cloud, such as IC 443, the enhanced matter density provides a target medium that can amplify the gamma-ray emission. IC 443 also contains the pulsar wind nebula (PWN) CXOU J061705.3+222127. PWNe are the most plentiful galactic sources of very-high-energy gamma rays, which are produced in the shock formed at the collision of the pulsar wind with the ambient medium. VERITAS is an array of four 12-m telescopes dedicated to gamma-ray astronomy in the energy band above 100 GeV. Located on Mt. Hopkins in southern Arizona, VERITAS operated during the 2006-2007 season in 2-, 3-, and 4-telescope observation modes. In this talk, results from three-telescope observations of the composite supernova remnant IC 443 during the 2006-2007 season are discussed.

研究动机与目标

• 使用 VERITAS 望远镜阵列探测复合型超新星遗迹 IC 443 的甚高能伽马射线辐射。
• 确定 VHE 辐射的空间和能谱形态，并评估其与脉冲星风 nebula（PWN）或分子云的关联性。
• 通过多波段重合性研究 VHE 辐射的起源——是强子过程（质子-质子相互作用）还是轻子过程（逆康普顿辐射或 PWN 辐射）？
• 验证在存在明亮恒星可能污染数据的情况下分析方法的稳健性。
• 为理解超新星遗迹中宇宙射线加速机制以及分子云在增强伽马射线辐射中的作用做出贡献。

提出的方法

• VERITAS 使用三台 12 米望远镜以倾斜模式观测 IC 443，将源偏移 0.5° 离开望远镜指向中心，以减少背景。
• 在 15.9 小时内收集数据，并应用质量筛选以排除恶劣天气、硬件不稳定及进行 livetime 修正。
• 对像素进行平滑处理，以恢复因明亮恒星（HIP 29655 和 HIP 30343）导致光子倍增管电流过高而被抑制的像素信号。
• 利用均值缩放宽度和长度参数进行伽马射线/背景宇宙射线分离。
• 采用环形背景模型进行背景估计，适用于轻微扩展或偏移源。
• 通过将伽马射线计数率与相同天顶角（11°）下蟹状星云的计数率进行比较，确定源的显著性和通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 IC 443 是否存在高于 200 GeV 的可探测甚高能伽马射线信号？
• RQ2 VHE 辐射在空间上相对于脉冲星风 nebula（PWN）和分子云的位置如何？
• RQ3 观测到的 VHE 辐射是否起源于致密分子云中的强子相互作用，还是来自 PWN 中的轻子过程？
• RQ4 场中明亮恒星对伽马射线分析有何影响？其影响能否被缓解？
• RQ5 VHE 辐射是否与幂律谱一致？其通量相对于蟹状星云如何？

主要发现

• VERITAS 探测到 IC 443 的显著 VHE 伽马射线超额，预试验显著性为 7.1σ，事后显著性为 6.0σ。
• 该辐射通量在高于 200 GeV 范围内约为蟹状星云通量的 3–4%，与 MAGIC 的探测结果一致。
• VHE 辐射的中心位置位于赤经 06h16m，赤纬 +22°30′，与 MAGIC 的位置一致。
• 该辐射在空间上相对于脉冲星风 nebula（PWN）J061705.3+222127 偏移约 0.15°，表明其与 PWN 无直接关联。
• VHE 辐射在空间上与分子云最致密区域及 OH maser 辐射重合，支持其起源于宇宙射线与云层相互作用的强子起源。
• 系统性测试（包括对无已知伽马射线源的明亮恒星场的观测）表明，明亮恒星未产生虚假超额，验证了分析的可靠性。