[论文解读] Search for Short Bursts of Gamma Rays Above 100 MeV from the Crab using VERITAS and SGARFACE

M. Schroedter|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究利用VERITAS与SGARFACE实验的同步观测，搜索蟹状脉冲星在100 MeV以上的短伽马射线暴。尽管对1–15 μs持续时间的暴具有高灵敏度，但在6.3小时的观测中未检测到任何符合事件，从而设定了迄今最严格的、针对亚微秒 timescale 上1 GeV以上伽马射线暴的上限。

ABSTRACT

The phenomenon of giant radio pulses (GRP) from the Crab Pulsar can be studied at gamma-ray energies using atmospheric-Cherenkov telescopes such as VERITAS and the SGARFACE experiment attached to the Whipple 10 m telescope. Although these instruments are generally used for very-high-energy gamma-ray astronomy above 100 GeV, they also provide substantial sensitivity to short bursts of photons above 100 MeV lasting up to 15 $μ$s. Motivated by the theoretical predictions for short microsecond-scale GeV bursts as counterparts to GRPs \cite{Lyutikov2007}, we report on a search for gamma-ray emission using simultaneous observations of the Crab Pulsar taken with VERITAS and the SGARFACE experiment.

研究动机与目标

• 检验理论预测：蟹状脉冲星中的巨幅射电脉冲（GRP）可能通过曲率辐射产生约30 GeV的短伽马射线暴。
• 使用地面大气契伦科夫望远镜，搜索持续时间为10 ns至15 μs、能量高于100 MeV的伽马射线暴。
• 通过结合VERITAS与SGARFACE实验的数据，提升对短时、高能暴的探测灵敏度，其中SGARFACE依附于Whipple 10 m望远镜。
• 利用符合时间与背景抑制技术，建立此类暴发生率的最严格上限。
• 评估利用当前IACT阵列与新型触发系统探测脉冲星微秒级GeV暴的可行性。

提出的方法

• 利用VERITAS与附着于Whipple 10 m望远镜的SGARFACE实验，对蟹状脉冲星进行同步观测。
• SGARFACE使用55个叠加的PMT通道，以20 ns的采样间隔记录35.04 μs的存储深度，FADC设计用于保持电荷积分的时间保真度。
• 采用多时间尺度甄别器（MTD），具有六个时间常数（60 ns至14.58 μs），并结合模式敏感逻辑，要求7个相邻通道同时触发，以实现高背景抑制。
• VERITAS在7 ns内检测到三个相邻PMT的信号超过约5个光电子，对7 ns持续的1 GeV暴的最小可探测通量为0.02 γ/m²。
• 使用1 μs符合窗口搜索符合事件，随机符合率通过将数据集偏移1秒估算。
• 利用KASCADE与GrISU(tah)的蒙特卡洛模拟，建模契伦科夫光斑图案与望远镜响应，以确定灵敏度随暴持续时间与能量的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用大气契伦科夫望远镜探测到蟹状脉冲星发出的、持续1–15 μs、能量高于100 MeV的短伽马射线暴？
• RQ2 蟹状脉冲星中的巨幅射电脉冲（GRP）是否与通过曲率辐射产生的高能伽马射线暴存在可探测的相关性？
• RQ3 VERITAS与SGARFACE对持续时间在微秒量级、能量高于1 GeV的伽马射线暴的灵敏度如何？
• RQ4 两个独立的IACT系统之间的符合技术在抑制宇宙射线背景以用于暴探测方面有多高效？
• RQ5 蟹状脉冲星发出的此类短伽马射线暴的最严格上限是什么？

主要发现

• 在6.3小时的VERITAS与SGARFACE同步观测中，未检测到任何符合伽马射线暴事件。
• 在假设泊松分布并考虑背景涨落的情况下，真实暴发生率的99%上限为0.73小时⁻¹。
• 在1 μs窗口内预期的随机符合事件数为0.1，该值由偏移数据集估算得出。
• VERITAS-SGARFACE联合系统具备足够灵敏度，可探测到曲率辐射模型预测的50 GeV通量的暴。
• SGARFACE通过时间分辨成像与基于模式的触发，实现了对宇宙射线和大气现象98%的背景抑制率。
• 对暴的灵敏度随1/τ下降，当持续时间超过100 ns时，VERITAS的灵敏度低于SGARFACE，这限制了对更长持续时间暴的上限。