[论文解读] Pulsar Emission above the Spectral Break - A Stacked Approach

A. McCann|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究对115颗费米-LAT伽马射线脉冲星在4.2年平均曝光时间内进行了堆叠分析，以搜索50 GeV以上的累积辐射，未发现显著过量。结果表明，脉冲星群体的平均流量低于蟹状脉冲星在56–100 GeV能段流量的7%，暗示非指数抑制辐射（如逆康普顿散射）在群体中并不普遍，尽管仍不能完全排除。

ABSTRACT

NASA's Fermi space telescope has provided us with a bountiful new population of gamma-ray sources following its discovery of 150 new gamma-ray pulsars. One common feature exhibited by all of these pulsars is the form of their spectral energy distribution, which can be described by a power law followed by a spectral break occurring between $\sim$1 and $\sim$8 GeV. The common wisdom is that the break is followed by an exponential cut-off driven by radiation/reaction-limited curvature emission. The discovery of pulsed gamma rays from the Crab pulsar, the only pulsar so far detected at very high energies (E$>$100GeV), contradicts this "cutoff" picture. Here we present a new stacked analysis with an average of 4.2 years of data on 115 pulsars published in the 2nd LAT catalog of pulsars. This analysis is sensitive to low-level $\sim$100 GeV emission which cannot be resolved in individual pulsars but can be detected from an ensemble.

研究动机与目标

• 检验在GeV谱转折点以上，非指数抑制的伽马射线辐射（如逆康普顿散射）是否在伽马射线脉冲星中普遍存在。
• 通过堆叠115颗脉冲星的数据，提高对低水平甚高能（VHE；E > 50 GeV）辐射的灵敏度，以突破单个脉冲星的探测极限。
• 评估100 MeV至50 GeV范围内群体脉冲星的谱形，特别是其是否偏离指数截止模型。
• 通过约束脉冲星的谱形，为银河系弥漫辐射模型和间接暗物质搜寻提供信息。

提出的方法

• 堆叠分析结合了115颗伽马射线脉冲星的费米-LAT数据，采用孔径光度测量法，并应用相位分辨的源区与背景事件选择。
• 分析使用改进的“on-minus-off”方法提取各能量区间的过量流量，通过gtexposure应用曝光修正。
• 谱能分布（SEDs）使用幂律乘以次指数截止函数进行拟合，截止指数b允许自由浮动。
• 通过比较固定b=1（指数截止）与浮动b的拟合结果，评估对次指数形式的偏好程度。
• 拟合中使用统计不确定性，尽管由于系统效应的存在，这些不确定性可能低估了真实误差。
• 该方法分别应用于年轻脉冲星、毫秒脉冲星及子样本，以检验谱形差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在50 GeV以上，费米-LAT脉冲星群体是否存在累积VHE辐射，表明单个脉冲星中存在非指数抑制成分？
• RQ2 年轻脉冲星与毫秒脉冲星的堆叠SED是否更偏好次指数截止而非指数截止，提示存在类似逆康普顿散射的集体辐射机制？
• RQ3 在GeV谱转折点以上的观测谱形，能否由考虑辐射反作用限制的曲率辐射模型解释，还是需要其他辐射机制？
• RQ4 在56–100 GeV能段，脉冲星群体的平均流量上限是多少，其对单个脉冲星亮度有何约束？
• RQ5 这些结果如何影响在暗物质搜寻背景下对未关联伽马射线过量的解释？

主要发现

• 在115颗脉冲星的堆叠分析中，未在50 GeV以上检测到显著的累积辐射，任何能量区间的过量均未被观测到。
• 整个脉冲星样本的平均流量在56–100 GeV能段被限制在蟹状脉冲星流量的7%以下。
• 年轻脉冲星与毫秒脉冲星的堆叠SED与幂律乘以次指数截止模型一致，最佳拟合b值分别为0.59 ± 0.02和0.7 ± 0.15。
• 最高能段的谱点位于最佳拟合次指数截止模型之上约2.4σ，但此结果不足以构成对非指数辐射的强证据。
• 本堆叠分析所得的流量限制在56–100 GeV范围内约为第二版费米-LAT脉冲星目录中最佳单个脉冲星限制的三倍。
• 结果并未排除存在少数明亮VHE脉冲星（如蟹状脉冲星）或数十个较暗脉冲星的可能性，但对群体的平均流量进行了约束。