[论文解读] Optimizing the angular resolution of the HEGRA telescope system to study the emission region of VHE gamma rays in the Crab Nebula

HEGRA Collaboration, F. Aharonian|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究优化了HEGRA成像大气契伦科夫望远镜系统的角分辨率，以研究蟹状星云非常高能（VHE）伽马射线辐射的空间扩展。通过将观测到的伽马射线角分布与蒙特卡洛模拟结果及Mrk 501的点源测量结果进行比较，作者将VHE辐射区域的均方根尺寸限制在1.5′以下，表明其与脉冲星附近的紧凑源一致，并暗示了涉及强子过程或激波前沿局部电子加速的辐射机制。

ABSTRACT

The HEGRA system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes provides for specially selected classes of events an angular resolution of better than 3'. By comparing the measured angular distribution of TeV gamma rays from the Crab Nebula with the distribution expected on the basis of Monte Carlo simulations, and with measurements of gamma rays from the point source Mrk 501, we conclude that the rms size of the VHE gamma-ray emission region in the Crab Nebula is less than 1.5'.

研究动机与目标

• 评估HEGRA IACT系统对扩展VHE伽马射线源的角分辨率能力。
• 利用高精度方向重建方法，确定蟹状星云中VHE伽马射线辐射区域的空间范围。
• 基于源尺寸约束，检验观测到的辐射是否与逆康普顿或强子产生模型一致。
• 评估TeV能量下源位置和尺寸测量中的系统性与统计性不确定性。
• 将重建的源尺寸与X射线和光学形态进行比较，推断辐射区域相对于脉冲星和激波前沿的位置。

提出的方法

• 利用HEGRA系统立体成像大气契伦科夫望远镜数据，以亚弧分精度重建伽马射线簇射方向。
• 应用事件选择标准，使特别选择事件的角分辨率优于3′。
• 对伽马射线簇射发展和仪器响应进行蒙特卡洛模拟，以建模预期的角分辨率函数。
• 将蟹状星云VHE伽马射线的观测角分布与模拟分布进行比较，以推断源尺寸。
• 使用Mrk 501作为校准点源，验证仪器角分辨率，并确认不存在大尺度晕影效应。
• 通过选择重建能量高于5 TeV的事件，分析能量依赖的源尺寸，以探测高能辐射区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 HEGRA系统测量的蟹状星云VHE伽马射线辐射区域的本征角扩展是多少？
• RQ2 蟹状星云的VHE伽马射线辐射是与点源一致，还是在数个弧分范围内扩展？
• RQ3 测量的源尺寸与逆康普顿和强子辐射模型的预测相比如何？
• RQ4 考虑到其角分辨率，HEGRA系统能否分辨出VHE辐射与脉冲星或X射线辐射区域之间的空间偏移？
• RQ5 影响TeV能量下源尺寸测量的系统性和统计性不确定性是什么？

主要发现

• HEGRA系统对选定事件的角分辨率优于3′，实现了高精度的源尺寸测量。
• 基于与蒙特卡洛模拟的比较，蟹状星云中VHE伽马射线辐射区域的均方根尺寸被限制在1.5′以下。
• 对于重建能量高于5 TeV的事件，源尺寸上限为1.7′，与高能下点源特征一致。
• 重建的TeV辐射峰值位置与脉冲星位置偏移0.2′，在±0.5′的系统误差范围内与X射线辐射中心一致。
• 观测到的源尺寸上限与不存在大尺度晕影或扩展辐射组分的结论一致，这一点由Mrk 501数据得到证实。
• 1.5′均方根尺寸的上限对应于表面源最大半径2.6′或体积源最大半径3.4′，表明辐射高度局域化。