[论文解读] Search for TeV emission from the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes with H.E.S.S. inner Galaxy survey observations

E. Moulin, Alessandro Montanari+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用 4

一句话总结

本研究基于2014至2020年期间的银河系内 Survey 数据，首次对低银纬处费米气泡基底的TeV伽马射线辐射进行了 H.E.S.S. 搜索。尽管积累了546小时高质量观测数据，未检测到显著过量信号，1 TeV能量处的95%置信水平上限约为~2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹，从而对气泡起源的强子与轻子模型构成约束。

ABSTRACT

The Fermi Bubbles were discovered about a decade ago in the {\it Fermi}-LAT data as a double-lobe structure extending up to 55 deg. in Galactic latitudes above and below the Galactic Center. At the moment their origin is still unknown. The H.E.S.S. collaboration is currently performing the first ever survey in TeV gamma rays of the Milky Way inner region: the Inner Galaxy Survey. This survey is intended to achieve the best sensitivity to faint and diffuse emissions in a region of several degrees around the Galactic Centre. It provides an unprecedented sensitivity to dark matter signals, new diffuse emissions, and TeV outflows from the Galactic Centre. Understanding the properties of the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes will provide key insights into their origin. We search for TeV emission at the base of the Fermi Bubbles using low-latitude spatial templates. The first results obtained with the 2014-2020 H.E.S.S. observations will be reported.

研究动机与目标

• 利用 H.E.S.S. 数据，搜索低银纬处费米气泡基底的甚高能（VHE）伽马射线辐射。
• 通过TeV波段观测，检验强子与轻子辐射模型，以探究费米气泡的起源。
• 利用 H.E.S.S. 银河系内 Survey 的灵敏度，探测银河系中心附近微弱且弥散的VHE信号。
• 评估费米-LAT 观测到的、能量高达1 TeV的硬谱指数是否在VHE波段持续存在。
• 为涉及银河系中心过去活动星系核（AGN）活动或恒星形成过程的模型提供关键约束。

提出的方法

• 分析使用了2014至2020年期间 H.E.S.S. 收集的546小时高质量观测数据，观测角度小于40°，来自银河系内 Survey。
• 定义了一个兴趣区域（ROI），其费米-LAT 表面亮度超过8.5 sr⁻¹，中心位于 l ≈ -1°, b ≈ 2°。
• 逐运行应用镜像背景法，估算对称 OFF 区域的背景，确保固体角与响应函数相等。
• 在信号区与背景区应用掩膜（masks），以避免附近VHE源的污染。
• 在0.2 dex能量区间内，基于幂律谱指数Γ = 1.9与20%系统不确定度，计算95%置信水平下的能量微分通量上限。
• 与费米-LAT 数据联合进行谱模型拟合，假设幂律谱与10 GeV以上费米-LAT 结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米气泡辐射是否延伸至TeV能量，如费米-LAT 在1 TeV以下的硬谱指数所暗示？
• RQ2 气泡基底观测到的伽马射线谱能否由强子或轻子过程解释？
• RQ3 是否存在气泡基底的VHE成分证据，可区分活动星系核（AGN）类喷发与恒星形成驱动的喷流？
• RQ4 H.E.S.S. 对银河系中心区域（特别是费米气泡基底附近）的弥散VHE辐射具有何种灵敏度？
• RQ5 H.E.S.S. 的上限结果如何约束费米气泡的本征谱形与辐射机制？

主要发现

• 在H.E.S.S. 兴趣区域内未检测到显著的伽马射线过量，表明费米气泡基底不存在统计显著的TeV辐射。
• 1 TeV能量处的95%置信水平微分通量上限约为~2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹，与强VHE成分的缺失一致。
• 该上限基于幂律谱指数Γ = 1.9的假设计算得出，与费米-LAT 在高能区的谱指数一致。
• 分析中考虑了20%的通量定标系统不确定度，确保了上限估计的稳健性。
• 结果与费米-LAT 谱在1 TeV以下保持硬谱的观测一致，但未证实存在VHE成分。
• 本研究对强子模型施加了严格约束，不支持在TeV能量下气泡介质中发生强烈的质子-质子相互作用。