[论文解读] Status and recent results from H.E.S.S

Berrie Giebels, Collaboration, H. E. S. S.|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文介绍了H.E.S.S.切伦科夫望远镜阵列的运行状态及近期科学成果，重点展示了由于增加了28米的H.E.S.S. II望远镜以及对H.E.S.S. I的升级，其灵敏度显著提升。主要成果包括：在银河系源（如W49B和双星系统）中探测到甚高能（VHE）伽马射线辐射；对银河系中心暗物质湮灭的约束；利用PKS 2155-304的观测，对量子引力效应和河外背景光（EBL）的限制得到改善。

ABSTRACT

The H.E.S.S. instrument consists of four 13 m (H.E.S.S. I) and one 28 m diameter (H.E.S.S. II) Atmospheric Cherenkov Telescopes (ACTs) located in the Khomas Highland in Namibia, 1800 m above sea level. The H.E.S.S. I array began operations in 2003, and has achieved recent scientific results allowed by the synergy with the Fermi-LAT, some of which are outlined here. The H.E.S.S. II telescope started operations in July 2012, and is expected to provide its first scientific results by the end of the year. Since the inauguration of the first telescope in September 2002, H.E.S.S. has taken 9415 hours of data, with 4234 hours in the band of the Galaxy and 5181 hours in extragalactic space, discovered over 80 new very high energy (VHE; E > 100 GeV) γ-ray sources (according to TeVCat listings), among them more than 60 galactic objects and 19 extragalactic sources.

研究动机与目标

• 报告H.E.S.S.切伦科夫望远镜阵列在集成H.E.S.S. II并完成H.E.S.S. I升级后的运行状态与科学成就。
• 研究银河系平面内甚高能（VHE；E > 100 GeV）伽马射线源的性质，特别是脉冲星风 nebulae 和超新星遗迹。
• 探索奇异物理现象，包括银河系中心的暗物质湮灭以及通过光子能量依赖的时间延迟探测洛伦兹不变性破坏。
• 利用遥远耀变体中甚高能伽马射线的吸收测量河外背景光（EBL）密度，并检验量子引力模型。
• 通过先进的重建技术与全部五台望远镜的混合运行模式，提升甚高能伽马射线探测的灵敏度与能量阈值。

提出的方法

• 利用位于纳米比亚的四台13米（H.E.S.S. I）和一台28米（H.E.S.S. II）大气切伦科夫望远镜，通过广延空气簇射产生的切伦科夫光探测甚高能伽马射线。
• 采用先进的簇射重建技术，包括使用所有像素的级联拟合、三维图像表征，以及提升灵敏度约两倍的多变量方法（如提升决策树）。
• 实施五台望远镜全部参与的混合运行模式，提升角分辨率并降低背景，实现更优的源定位与探测灵敏度。
• 应用立体成像技术，并通过镜面重新镀膜（历时两年完成）提升光学效率，增加有效集光面积与信噪比。
• 利用Fermi-LAT与H.E.S.S.的同步观测，实现交叉校准，并将能谱覆盖范围从GeV扩展至TeV能量段。
• 对光 lightcurves（如PKS 2155-304）进行逐事件似然拟合，以约束光子能量依赖的时间延迟，用于检验量子引力模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 W49B超新星遗迹的甚高能伽马射线辐射的性质是什么？其是否支持强子相互作用起源？
• RQ2 PSR B1259-63与1FGLJ1018-5856的甚高能与GeV伽马射线辐射如何比较？它们揭示了双星系统中粒子加速的何种机制？
• RQ3 基于H.E.S.S.对银河系中心1.5°区域的观测，可对暗物质湮灭施加何种约束？
• RQ4 能否利用PKS 2155-304等耀变体在爆发期间VHE光子到达时间的延迟，来设定量子引力能量尺度的下限？
• RQ5 甚高能伽马射线在河外背景光（EBL）中的吸收在多大程度上可用于直接测量0.1–10 μm波段的EBL密度？

主要发现

• H.E.S.S.探测到W49B的甚高能伽马射线辐射，其GeV与TeV能谱之间呈现平滑连接，高GeV光度及与致密分子物质的相互作用支持其起源于强子过程。
• H.E.S.S.银河系平面巡天发现了80多个新的甚高能源，其中脉冲星风星云最为常见，且识别出HESSJ1018-586为Fermi-LAT双星源1FGLJ1018-5856的甚高能对应体，其光子指数为Γ = 2.7 ± 0.5。
• 在银河系中心区域未发现显著过量信号，对WIMP湮灭的截面给出了目前最优约束，适用于质量在~300 GeV至~10 TeV之间的暗物质，且对NFW与Einasto密度分布均成立。
• 基于PKS 2155-304的极端爆发（85分钟内记录8000多个事例），对光子色散关系中线性项的量子引力能量尺度设定了95%置信水平下限，为2.1 × 10^18 GeV。
• H.E.S.S.首次通过甚高能伽马射线吸收实现了对河外背景光（EBL）的直接探测，结果在重叠能量区间与Fermi-LAT测量高度一致。
• H.E.S.S. II的加入与H.E.S.S. I的升级使灵敏度提升约两倍，能量阈值降低，从而更有效地探测脉冲辐射与伽马暴等瞬变现象。