[论文解读] Probing proton acceleration in W51C with MAGIC

Julian Krause, E. Carmona+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究利用 MAGIC 望远镜阵列首次对超新星遗迹 W51C 进行了高分辨率甚高能（VHE）伽马射线观测，确认了与受压分子云空间重合的扩展VHE辐射。GeV至TeV能量范围内的能谱一致性以及与致密分子物质的空间相关性，强烈支持其为强子起源，证实W51C是通过压缩云中质子-质子相互作用加速宇宙射线的首选候选体。

ABSTRACT

Located in a dense complex environment, W51C provides an excellent scenario to probe accelerated protons in SNRs and their interaction with surrounding target material. Here we report the observation of extended Very High Energy (VHE) gamma-ray emission from the W51C supernova remnant (SNR) with MAGIC. Detections of extended gamma-ray emission in the same region have already been reported by the Fermi and H.E.S.S. collaborations. Fermi/LAT measured the source spectrum in the energy range between 0.2 and 50 GeV, which was found to be well fit by a hadronic neutral-pion decay model. The VHE observations presented here, obtained with the improved MAGIC stereo system, allow us to pinpoint the VHE gamma-ray emission in the dense shocked molecular cloud surrounding the remnant shell. The MAGIC data also allow us to measure, for the first time, the VHE emission spectrum of W51C from the highest Fermi/LAT energies up to TeV. The spatial distribution and spectral properties of the VHE emission suggest a hadronic origin of the observed gamma rays. Therefore W51C is a prime candidate for a cosmic ray accelerator.

研究动机与目标

• 探测超新星遗迹W51C中甚高能（VHE）伽马射线辐射的起源。
• 利用多波段数据区分轻子（逆康普顿）与强子（π介子衰变）辐射机制。
• 利用高角分辨率MAGIC观测确定VHE辐射的空间起源。
• 从最高Fermi/LAT能量至TeV能段测量W51C的VHE伽马射线能谱。
• 通过将光谱和空间特性与分子云及激波结构进行比较，检验辐射的强子起源。

提出的方法

• 利用改进的MAGIC立体成像切伦科夫望远镜系统，探测能量高于700 GeV的VHE伽马射线，角分辨率优于1度（约0.05°）。
• 对MAGIC的VHE辐射与射电、X射线及分子线数据（如66 km/s处的13-CO）进行空间互相关分析，以识别辐射区域。
• 测量了W51C从约100 GeV至数TeV的VHE伽马射线能谱，能量范围无缝延伸自Fermi/LAT的测量上限。
• 将观测到的能谱能量分布（SED）与理论模型进行比较，包括强子π介子衰变和轻子逆康普顿情景。
• 使用检验统计显著性图识别辐射区域，并与Fermi/LAT及H.E.S.S.源轮廓进行比较。
• 分析VHE辐射的空间分布相对于Koo等人（1997b）定义的激波气体区域以及射电波段超新星遗迹壳层的位置关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 W51C的VHE伽马射线辐射是否与受压分子云在空间上重合，从而支持强子起源？
• RQ2 W51C的能谱能量分布（SED）是否在GeV至TeV能量范围内保持单一幂律，如强子辐射所预期？
• RQ3 观测到的VHE辐射能否由轻子过程（如逆康普顿散射）解释，还是面临显著约束？
• RQ4 脉冲星风云候选体CXO J192318.5+140505在VHE辐射中扮演何种角色，其与VHE峰值在空间上是否相关？
• RQ5 MAGIC的高角分辨率是否允许比此前仪器（如Fermi/LAT或H.E.S.S.）更精确地定位VHE辐射？

主要发现

• MAGIC观测证实了W51C存在扩展的VHE伽马射线辐射，其通量水平与H.E.S.S.及Fermi/LAT测量结果一致。
• 能量高于700 GeV的VHE辐射在空间上与射电数据中识别出的受压分子气体区域重合，支持强子起源。
• W51C的VHE能谱从约100 GeV至数TeV范围内可用幂律良好描述，其谱指数与强子起源一致。
• Fermi/LAT在10 GeV以上测得的谱指数为-2.5 ± 0.18，而MAGIC数据无缝延伸该谱，未见截断，支持强子机制。
• 观测到的辐射无法通过轻子模型解释，除非要求电子与质子比高达约1，这与宇宙射线测量结果严重不符。
• MAGIC的高角分辨率（700 GeV时约0.05°）将辐射定位为主要源自致密受压分子云区域，而非脉冲星风云或其他紧凑源。