[论文解读] Search for extended gamma ray emission in Markarian 421 using VERITAS observations

Mateo Fernandez Alonso|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用VERITAS在耀变体Markarian 421处于平静期的观测数据，搜索其周围是否存在扩展的伽马射线晕，将角分布与假设无晕的爆发期数据进行比较。卡方检验未发现显著差异，因此在0° ≤ θ ≤ 0.1°范围内，对扩展发射的99%置信度上限为小于8%的蟹状星云通量（以C.U.为单位）。

ABSTRACT

Very high energy (VHE: >100 GeV) gamma rays coming from AGN can pair-produce on the intergalactic background light generating an electromagnetic cascade. If the Intergalactic Magnetic Field (IGMF) is sufficiently strong, this cascade may result in an extended isotropic emission of photons around the source, or halo. Using VERITAS observations of the blazar Markarian 421, we search for extended emission by comparing the source angular distribution ($θ^2$) from a quiescent period with one coming from a flare period, which can be considered as halo-free. $χ^2$ test showed no significant statistical differences between the samples, suggesting that the effect is either non-existent or too weak to be detected. We calculated upper limits for the extended flux considering different angle ranges, the most stringent being <8% of the Crab Nebulae flux (C.U), in the range $0°\leq θ \leq 0.1°$ .

研究动机与目标

• 测试由于极高能光子与星系际背景光相互作用引发的电磁级联效应，是否会在Markarian 421周围产生扩展的伽马射线晕。
• 研究足够强的星系际磁场（IGMF）是否能产生可探测的、能量较低的各向同性光子晕。
• 通过将平静期数据与假设无晕的爆发期数据进行比较，对扩展发射设定严格上限。
• 通过间接探测级联诱导晕，约束宇宙学参数，如IGMF强度和EBL密度。

提出的方法

• 使用VERITAS在Markarian 421平静期（9.6小时）和爆发期（8.6小时）的观测数据。
• 从两组数据构建缩放后的过量θ²分布，假设爆发期数据代表无晕的点源分布。
• 应用卡方检验比较平静期与爆发期θ²分布的形状，检验统计量定义为χ² = Σ[(N_i_NOflare - B_i_NOflare) - F*(N_i_flare - B_i_flare)]² / [N_i_NOflare + B_i_NOflare + F²*(N_i_flare + B_i_flare)]
• 使用自由度校正后的卡方检验（χ²_ν）评估不同θ²范围内的统计显著性，将结果与95%和99%置信水平下的临界值进行比较。
• 使用Helene方法在99%置信水平下计算扩展通量的上限，对应于5σ检测阈值。
• 以蟹状星云通量（C.U.）为单位报告不同角度范围内的上限，包括0° ≤ θ ≤ 0.1°和0.1° ≤ θ ≤ 0.2°。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强星系际磁场存在下，由于电磁级联效应，Markarian 421周围是否存在统计显著的扩展伽马射线发射（晕）？
• RQ2 平静期的过量伽马射线角分布是否与假设无晕的爆发期存在显著差异？
• RQ3 在特定角度范围内，任何扩展发射的通量上限是多少？
• RQ4 这些结果如何约束星系际磁场强度和星系际背景光的密度？

主要发现

• 在所有测试的角度范围内，还原卡方值均低于95%和99%置信水平的临界阈值，表明平静期与爆发期的θ²分布之间无统计显著差异。
• 扩展发射的最严格上限为在0° ≤ θ ≤ 0.1°范围内小于8%的蟹状星云通量（C.U.），对应1.30 × 10⁻⁶ erg·m⁻²·s⁻¹，不确定性较小。
• 在0.1° ≤ θ ≤ 0.2°范围内的扩展发射上限为在99%置信水平下小于11%的蟹状星云通量（C.U.）。
• 这些上限与Aleksić等人（2010年）的先前结果一致，验证了VERITAS仪器在晕探测中的方法和灵敏度。
• 未检测到可探测晕的存在，表明星系际磁场可能太弱而无法产生可测量的级联效应，或级联效应被其他天体物理因素所抑制。
• 这些结果对预测耀变体中极高能伽马射线级联产生扩展发射的模型构成约束，有助于更广泛地测量宇宙学参数，如IGMF强度和EBL密度。