[论文解读] Observations of the Large Magellanic Cloud with Fermi

J. Knödlseder, P. Jean|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用11个月的Fermi/LAT数据，首次获得了大麦哲伦云（LMC）的伽马射线空间分辨图，结果表明伽马射线发射与大质量恒星形成区（如30 Doradus）密切相关，而非与星际气体密度相关。研究结果表明，LMC中的宇宙射线主要在这些区域因恒星风和超新星活动而被加速，暗示GeV质子的扩散长度较短。

ABSTRACT

We report on observations of the Large Magellanic Cloud with the Fermi Gamma-Ray Space Telescope. The LMC is clearly detected with the Large Area Telescope (LAT) and for the first time the emission is spatially well resolved in gamma-rays. Our observations reveal the massive star forming region 30 Doradus as a bright source of gamma-ray emission in the LMC. The observations furthermore show that the gamma-ray emission correlates little with the gas density of the LMC. Implications of this finding will be discussed.

研究动机与目标

• 利用前所未有的分辨率绘制大麦哲伦云（LMC）高能伽马射线发射的空间分布。
• 研究LMC中伽马射线发射与星际气体密度之间的相关性。
• 确定LMC中的宇宙射线加速是否与大质量恒星形成区、脉冲星或超新星遗迹有关。
• 评估低气体密度相关性对河外星系中宇宙射线输运与加速机制的影响。

提出的方法

• 分析2008年8月至2009年7月期间的274.3天Fermi/LAT数据，采用'扩散'事件选择方法并施加天顶角截断以最小化背景污染。
• 通过结合银河系弥散发射、各向同性河外背景及仪器背景，并自由拟合六个已知耀变体点源的谱参数，建立背景模型。
• 对背景减除后的计数图采用自适应平滑处理，信噪比为5，以揭示结构并抑制光子计数噪声。
• 通过将平滑后的计数图除以经LAT仪器响应函数卷积的H I柱密度图，计算伽马射线发射率。
• 将H I柱密度图归一化为LMC总氢质量7.2×10⁸ M☉，并考虑潜在的暗气体。
• 将发射率图与气体分布（N(H)）、沃尔夫-拉叶星、超新星遗迹及超巨星壳层叠加，以评估空间相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LMC中伽马射线发射的空间分布是否如宇宙射线相互作用所预期的那样与星际气体密度相关？
• RQ2 LMC中的伽马射线发射是否与大质量恒星形成区（如30 Doradus）及其示踪物（如沃尔夫-拉叶星和H II区）的相关性更强？
• RQ3 伽马射线发射与气体密度之间的低相关性对LMC中宇宙射线扩散与约束有何启示？
• RQ4 观测到的伽马射线发射率图是否可由恒星风与超新星驱动环境中的宇宙射线加速来解释？
• RQ5 脉冲星或超新星遗迹等单个源在LMC整体伽马射线发射中扮演何种角色？

主要发现

• 大麦哲伦云被Fermi/LAT清晰探测到，其伽马射线发射首次实现空间分辨。
• 大质量恒星形成区30 Doradus被确定为LMC中最亮的伽马射线源。
• LMC盘面内，伽马射线发射与星际气体密度（N(H)）的相关性极低。
• 相反，发射强烈与大质量恒星形成示踪物（包括H II区、沃尔夫-拉叶星和超巨星壳层）相关。
• 观测到的发射率模式支持宇宙射线在大质量恒星形成区因恒星风和超新星的能量输入而被加速的假设。
• 伽马射线发射被紧密限制在恒星形成区，暗示GeV宇宙射线质子在LMC中的扩散长度较短。