[论文解读] Searching for $γ$-ray signature in WHSP blazars: Fermi-LAT detection of 150 excess signal in the 0.3-500 GeV band

B. Arsioli, Yu‐Ling Chang|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 61被引用 16

一句话总结

本研究基于400个来自2WHSP星表的高同步辐射峰值（HSP）耀变体——这些源此前未在Fermi-LAT星表中被检测到——采用靶向似然分析方法搜索$γ$射线辐射。研究检测到150个$γ$射线过量信号（其中85个的TS > 25），成功解析了部分宇宙射线背景（IGRB），尤其是在高能段（100–200 GeV），并发布了用于记录微弱$γ$射线耀变体的1BIGB星表。

ABSTRACT

A direct search of $γ$-ray emission centered on multi-frequency selected candidates is a valuable complementary approach to the standard search adopted in current $γ$-ray Fermi-LAT catalogs. Our candidates are part of the 2WHSP sample, that was assembled with the aim of providing targets for Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), and is currently the largest set of high synchrotron peaked (HSP) blazars. We perform a likelihood analysis with the Fermi Science Tools using positions from 400 2WHSP blazars as seeds of tentative $γ$-ray sources. This enabled us to detect 150 $γ$-ray excess signals that have not yet been reported in previous $γ$-ray catalogs (1FGL, 2FGL, and 3FGL). By identifying new sources, we solve a fraction of the extragalactic isotropic $γ$-ray background (IGRB) composition, improving the description of the $γ$-ray sky. Our analysis considers the 0.3-500 GeV energy band, integrating over 7.2 yrs of Fermi-LAT observation and making use of the Pass 8 data release. Within the 150 2WHSPs that showed excess $γ$-ray signature: 85 are high-significance detections with test statistic (TS)$>$25, and 65 are lower-significance detections with TS between 10 to 25. We study the $γ$-ray photon spectral index distribution, the likelihood of detection according to the synchrotron peak brightness, and plot the measured $γ$-ray LogN-LogS of HSP blazars, also discussing the portion of the IGRB that has been resolved by this work. We report on four cases where we could resolve source confusion and find counterparts for unassociated 3FGL sources with the help of high-energy TS maps together with multi-frequency data. The 150 new $γ$-ray sources are named with the acronym 1BIGB for the first version of the Brazil ICRANet Gamma-ray Blazar catalog, in reference to the cooperation agreement supporting this work.

研究动机与目标

• 检测此前未在1FGL、2FGL或3FGL星表中出现的高同步辐射峰值（HSP）耀变体的$γ$射线辐射。
• 通过解析微弱$γ$射线源，改进对宇宙射线背景（IGRB）的表征。
• 验证一种基于多波段位置作为种子的靶向搜索方法，利用似然分析提升检测灵敏度，超越盲搜方法。
• 通过高能TS图和多波段数据，解决源混淆问题并识别未关联的3FGL $γ$射线源的对应体。

提出的方法

• 使用Fermi科学工具对400个2WHSP耀变体位置作为种子源进行似然分析，聚焦于0.3–500 GeV能量段。
• 应用7.2年Fermi-LAT观测数据中的Pass 8版本，以最大化灵敏度并减少背景污染。
• 在0.3–500 GeV能量段采用幂律谱模型表征检测到的源，并计算测试统计量（TS）以评估显著性。
• 生成能量依赖的测试统计量（TS）图，以改善源定位，尤其适用于弥散PSF效应显著的硬谱源。
• 将高能TS图与多波段数据（射电、红外、X射线）交叉比对，以解决源混淆并识别对应体。
• 采用基于同步辐射峰值亮度的性能指标参数，评估检测可能性与谱一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用已知HSP耀变体位置进行靶向$γ$射线源检测，是否能提升灵敏度，超越盲搜的Fermi-LAT星表？
• RQ2 通过探测HSP耀变体群体中的微弱$γ$射线源，能解析多少比例的宇宙射线背景（IGRB）？
• RQ3 高能TS图和多波段数据在解决源混淆和改善源定位方面有多高效？
• RQ4 具有明亮同步辐射峰值的HSP耀变体在高能IGRB（如100–200 GeV）中贡献有多大？
• RQ5 能否通过靶向分析和多波段数据，将此前未关联的3FGL $γ$射线源与HSP耀变体关联起来？

主要发现

• 从400个2WHSP耀变体种子位置共检测到150个$γ$射线过量信号，其中85个源的测试统计量（TS）> 25，65个源的TS介于10至25之间。
• 这150个新$γ$射线源被编入1BIGB星表（巴西ICRANet $γ$射线耀变体星表第一版），为$γ$射线天文学提供了新资源。
• 本研究在100–200 GeV能量段解析了6–8%的宇宙射线背景（IGRB），主要来自微弱的HSP耀变体。
• 高能TS图（E > 3 GeV）将源定位精度提升了最高达6.9′，证明了能量依赖分析在缓解位置不确定性方面的价值。
• 通过高能TS图和多波段数据，成功识别了4个此前未关联的3FGL源的对应体，证实了该方法在缓解源混淆方面的有效性。
• 检测到的HSP耀变体的谱指数分布与通量分布表明，该方法能有效探测$γ$射线源函数的微弱端，灵敏度可达TS ≈ 10。