[论文解读] Study of the VHE diffuse emission in the central 200 pc of our Galaxy with H.E.S.S

A. Lemière, R. Terrier+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用259小时的H.E.S.S.数据和二维最大似然拟合方法，重新分析了银河系中心200 pc范围内的极高能（VHE）弥漫伽马射线辐射。结果证实，约50%的脊状辐射与致密气体示踪剂相关，揭示了一种与致密气体无关的大尺度弥漫成分，并探测到一个新源HESS J1746−285，其空间位置与脉冲星风 nebula候选体一致，暗示可能存在由中心黑洞驱动的径向宇宙射线梯度。

ABSTRACT

The very high energy emission from the Galactic Center Ridge was revealed by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in 2006, after subtraction of the point sources HESS J1745-290, possibly associated with Sgr A$^\star$, and HESS J1747$-$281, associated with the composite supernova remnant G0.9$+$0.1. The hard spectrum of the Ridge emission and its spatial correlation with the local gas density suggest that the emission is due to collisions of multi-TeV cosmic rays with the dense clouds of interstellar gas present in this region. The much larger H.E.S.S. dataset (250 hrs) that is now available from this region and the improved analysis method dedicated to the detection of faint emission allow us to reconsider the characterization of this gamma-ray emission in the central 200 pc of our Galaxy through a detailed morphology study. To test the various contributions to the total gamma-ray emission, we use a 2D maximum likelihood approach that allows to constrain a phenomenological model of the signal. We discuss the nature of the various components, and their implication on the cosmic-ray distribution in the central region of our Galaxy. Finally, we will reveal an additional source in this region and will discuss its potential nature.

研究动机与目标

• 利用更大数据集和改进的分析技术，重新表征银河系中心200 pc范围内VHE弥漫伽马射线辐射的形态和起源。
• 检验此前推测的辐射主要源于宇宙射线与致密分子气体的强子相互作用，是否成立。
• 识别并表征与致密气体示踪剂无关的伽马射线辐射中的其他成分，例如未resolved源或弥漫气体相。
• 研究中心过量成分的存在及其对银心分子区宇宙射线加速的影响。

提出的方法

• 采用二维最大似然拟合技术对伽马射线图像进行处理，以建模辐射的空间分布，实现精确的形态分解。
• 在HAP-Fr流程中采用多变量分析程序，以增强信背比分离效果，并将角分辨率提高至R68% = 0.077°。
• 利用反射区域法估算背景，通过使背景区域与源区在大小和偏移量上匹配，以最小化系统误差。
• 使用CS和HCN等气体示踪剂作为模板，与伽马射线形态进行比较，并对气体和伽马射线轮廓的差异应用0.8°的高斯平滑以实现一致。
• 通过100次泊松实现实例的蒙特卡洛模拟，验证残差图的显著性，并探测潜在的新源。
• 构建了一个现象学模型，包含多个组分：与致密气体相关的脊状组分、大尺度弥漫组分、中心过量组分以及一个新点源。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心的VHE弥漫伽马射线辐射是否主要源于宇宙射线与致密分子气体的强子相互作用，如先前推断？
• RQ2 与致密气体示踪剂无关的大尺度弥漫辐射组分的起源是什么？
• RQ3 银河系中心30 pc范围内是否存在宇宙射线密度的径向梯度？其物理成因可能是什么？
• RQ4 新探测到的源HESS J1746−285是否与脉冲星风 nebula候选体G0.13−0.13存在物理关联？其本质是什么？
• RQ5 未resolved源或弥漫分子气体相在未相关联的弥漫伽马射线辐射中贡献程度如何？

主要发现

• 约50%的VHE脊状辐射在空间上与CS等致密气体示踪剂相关，与多TeV宇宙射线与致密气体的强子相互作用一致。
• 为拟合数据，必须引入一种大尺度弥漫辐射组分，该组分与致密气体示踪剂无关，可能源于未resolved源或密度约为100 cm⁻³的弥漫分子气体相。
• 在Sgr A⋆周围约30 pc范围内检测到中心过量组分，其径向范围约为14 pc，与可能由中心源（如超大质量黑洞）驱动的1/r型宇宙射线梯度一致。
• 探测到一个新的伽马射线源HESS J1746−285，其显著性水平与点源一致，且在空间上与费米弧及X射线脉冲星风 nebula候选体G0.13−0.13重合。
• 脊状辐射的谱指数测量为2.3 ± 0.1，表明其谱比本地宇宙射线通量更硬，支持该区域存在持续或近期的粒子加速过程。
• 通过将气体柱密度进行σ = 0.8°的高斯平滑，成功调和了伽马射线与气体轮廓在100–150 pc以外的差异，表明宇宙射线密度下降与视线方向物质分布共同作用。