[论文解读] Suzaku Observations of Fe K-shell Lines in the Supernova Remnant W51C and Hard X-ray Sources in the Proximity

Aika Shimaguchi, Kumiko Nobukawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 43被引用 4

一句话总结

本研究利用Suzaku X射线观测，调查了超新星遗迹W51C及其附近硬X射线源中的Fe K壳层发射。在6.40 keV中性Fe Kα线处发现2.0σ的超额，归因于低能宇宙射线与分子云的相互作用；在致密H II区G49.0−0.3中检测到6.68 keV He-like Fe Kα线的3.4σ增强，与kT = 3.0+0.8−0.7 keV、Z = 0.5 ± 0.2太阳单位的热等离子体一致，符合O型星风的特征。

ABSTRACT

In this paper, we investigated the Fe K-shell lines in the supernova remnant W51C and hard X-ray sources in the proximity. We measured the intensities of Fe I K$\alpha$ and Fe XXV He$\alpha$ lines at 6.40 keV and 6.68 keV, respectively, and found that the intensity of the 6.68 keV line is consistent with the background level expected from previous studies, while that of the 6.40 keV line is higher at the significance level of 2.0${\sigma}$. Given the presence of gamma-ray emission and high ionization rate point spatially coincident with the remnant, we conclude that the enhanced 6.40 keV line most likely originates from the interaction between low-energy cosmic rays and molecular clouds. Also, we discovered an enhanced 6.68 keV line emission from the compact H II region G49.0-0.3 at the significance level of 3.4${\sigma}$. Spectral analysis revealed that the temperature and abundance of the thermal plasma with the 6.68 keV line is $kT = 3.0^{+0.8}_{-0.7}$ keV and $Z = 0.5 \pm 0.2$ solar, respectively. These values are explained by the thermal plasma generated by the stellar winds of O stars.

研究动机与目标

• 本研究旨在确定W51C及其相关硬X射线源中Fe K壳层发射的起源。
• 研究6.40 keV线是否源于低能宇宙射线引起的荧光或光致电离。
• 探究致密H II区G49.0−0.3中6.68 keV线的性质，检验其是否为恒星风产生的热等离子体。
• 评估观测到的线强度与银河系脊X射线发射（GRXE）背景的一致性。

提出的方法

• 利用Suzaku的XIS和HXD仪器获取W51C及其周围区域的深X射线谱。
• 基于对银河系脊X射线发射（GRXE）的先前研究，估算背景Fe K壳层线的强度。
• 使用XSPEC进行光谱拟合，对6.40 keV和6.68 keV线采用高斯分量，在多组分连续谱上进行建模。
• 测试非热和热等离子体模型，包括硬X射线源的幂律和APEC模型。
• 通过χ²和F检验比较与背景模型的差异，评估线增强的显著性。
• 应用质子-质子相互作用的理论模型，结合伽马射线数据和分子云密度，估算预期的6.40 keV线通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 W51C中增强的6.40 keV Fe Kα线的起源是什么：宇宙射线荧光还是光致电离？
• RQ2 G49.0−0.3中6.68 keV He-like Fe Kα线是否为恒星风激波产生的热发射特征？
• RQ3 观测到的6.40 keV线强度与预期的银河系脊X射线发射（GRXE）背景相比如何？
• RQ4 在多个超新星遗迹中，6.40 keV线光度与0.1–100 GeV伽马射线光度之间是否存在相关性？
• RQ5 G49.0−0.3中的6.68 keV线能否由O型星风产生的热等离子体解释？

主要发现

• W51C中6.40 keV线强度比GRXE背景高出2.0σ，表明存在显著超额，不能归因于弥散发射。
• 该6.40 keV线超额最可能由低能宇宙射线与分子云相互作用引起的荧光解释。
• 在致密H II区G49.0−0.3中检测到6.68 keV线的3.4σ增强，表明存在局部高温等离子体。
• 对6.68 keV线的光谱拟合得到等离子体温度kT = 3.0+0.8−0.7 keV，金属丰度Z = 0.5 ± 0.2太阳单位，与O型星风激波加热一致。
• 测得6.40 keV线通量为F6.4 keV = 5.0 × 10−6 photons s−1 cm−2，所需照射源通量估算为(0.07–1)×10−8 erg s−1 cm−2，远超典型硬X射线源通量。
• 在超新星遗迹中发现6.40 keV线光度与0.1–100 GeV伽马射线光度之间存在微弱正相关性（r ∼0.3），支持其共同起源于宇宙射线相互作用。