[论文解读] Search for VHE signals from microquarsars with MAGIC

R. Zanin, Takayuki Sayto+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用 MAGIC 望远镜对微类星体中的甚高能（VHE）伽马射线辐射进行了全面搜索，采用独立观测和双筒立体观测两种模式。尽管对天鹅座 X-3、天鹅座 X-1、蝎虎座 X-1 和 SS 433 在多个能谱状态和爆发期进行了大量观测，仍未探测到显著的 VHE 信号，从而设定了严格的通量和光度比上限，尤其针对蝎虎座 X-1 在水平分支状态下的情况。

ABSTRACT

Microquasars are accreting binary systems displaying relativistic radio jets where very high energy gamma rays might be produced via Inverse Compton scattering. The detection of the microquasar Cygnus X-3 above 100 MeV by both Fermi/LAT and AGILE satellites, together with the short flares from Cygnus X-1 reported by AGILE, confirmed that this class of astrophysical objects are interesting candidates for very high energy gamma-ray observations. The stand-alone imaging atmospheric Cherenkov MAGIC telescope, and later on the recently inaugurated stereoscopic system, made a significant effort to search for signals from microquasars. This paper reviews all MAGIC results of Cygnus X-3, Cygnus X-1, Scorpius X-1, and SS 433 observations. The stand-alone MAGIC telescope observed Cygnus X-3 for almost 60 hrs from March 2006 until August 2009 in many different X-ray spectral states where a very high energy emission is predicted and also simultaneously with a flux enhancement at high energies detected by Fermi/LAT. No significant signal was found in any of the observed conditions. The MAGIC stereoscopic system pointed at the Z-type low-mass X-ray binary Scorpius X-1 in May 2010 for ~8 hrs. Simultaneous soft X-ray measurements allowed to define the X-ray spectral state of the source which could emit very-high-energy photons in the horizontal branch. MAGIC did not detect the source and put some constraints on the maximum TeV luminosity to jet power ratio. Further observations of Cygnus X-1 were also carried out with the new and twice as sensitive stereoscopic system in Autumn 2009 for a total amount of 30 hrs. Finally, we also report on SS 433 observations obtained during two periods of minimum absorption processes from the accretion disk.

研究动机与目标

• 搜索微类星体中甚高能（VHE）伽马射线辐射，其可能通过逆康普顿散射产生 VHE 光子。
• 检验 VHE 辐射是否在微类星体的相对论喷流中产生，尤其是在硬 X 射线和射电爆发期间。
• 约束低质量 X 射线双星（如蝎虎座 X-1）中 TeV 光度与喷流功率的最大比值。
• 研究微类星体的多波段行为，并将 VHE 活动与 X 射线能谱状态及高能爆发进行关联。
• 通过利用升级后的双筒立体 MAGIC 系统，并在低吸收阶段进行观测，提升对 VHE 信号的灵敏度。

提出的方法

• 在拉帕尔马天文台使用独立的 MAGIC 望远镜（直径 17 米）以及后来的双筒立体 MAGIC 系统（两台望远镜）进行 VHE 伽马射线观测。
• 对 2006 至 2010 年间收集的数据进行时间积分和逐日通量分析，能量阈值低至 50 GeV。
• 根据来自射电（RATAN-600）、Fermi/LAT、AGILE 和 Swift/BAT 的警报触发观测，并通过 RXTE/PCA 同时监测 X 射线。
• 利用 RXTE/ASM 和 Swift/BAT 光 light curves 对 X 射线能谱状态进行分类，识别出硬状态（HS）、软状态（SS）和水平分支（HB）状态。
• 应用标准 MAGIC 分析软件重建契伦科夫簇射，并利用图像和时间参数拒绝背景事件。
• 使用统计方法计算在 250 GeV、300 GeV 和 150 GeV 以上积分通量的 95% 置信水平（CL）上限（ULs）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硬 X 射线和软 X 射线状态，特别是在高能爆发期间，天鹅座 X-3 是否存在可探测的 VHE 伽马射线辐射？
• RQ2 在粒子加速预期发生的水平分支 X 射线状态期间，双筒立体 MAGIC 系统能否探测到蝎虎座 X-1 的 VHE 辐射？
• RQ3 根据在水平分支状态下的非探测结果，蝎虎座 X-1 中 TeV 光度与喷流功率的最大比值是多少？
• RQ4 如 2006 年探测到 4.1σ 信号所示，天鹅座 X-1 的 VHE 辐射是否与硬 X 射线爆发相关？
• RQ5 在低吸收进动相期间，能否探测到 SS 433 的 VHE 辐射，特别是来自中心源和“耳状结构”？

主要发现

• 在覆盖多个 X 射线能谱状态和高能爆发的 57 小时观测中，未在天鹅座 X-3 中探测到显著的 VHE 信号。
• 在 250 GeV 以上的积分通量，95% 置信水平上限为 2.2 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹，相当于蟹状星云通量的 1.3%。
• 在 8 小时的 MAGIC 与 RXTE/PCA 同时观测中，未在蝎虎座 X-1 中发现显著信号，水平分支状态下的 300 GeV 以上通量上限为 3.4 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹。
• 蝎虎座 X-1 在水平分支状态下的最大 TeV 光度与喷流功率比值被限制在 ≤ 10⁻³，与天鹅座 X-3 的限制一致。
• 尽管 2006 年曾探测到 4.1σ 信号，但在额外 90 小时的双筒立体系统观测中，未在天鹅座 X-1 中探测到显著的 VHE 辐射。
• 对于 SS 433，95% 置信水平上限分别为：中心源 3.6 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹（蟹状星云的 1%），以及“耳状结构” 2.1 × 10⁻¹¹ 光子 cm⁻² s⁻¹（蟹状星云的 5%），能量阈值高于 150 GeV。