[论文解读] TeV Gamma Rays From Galactic Center Pulsars

Dan Hooper, Ilias Cholis+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文提出，银河系中心观测到的甚高能（VHE）伽马射线主要源自一群年轻和中年脉冲星产生的TeV晕，而非来自Sgr A*引发的质子-诱导π介子产生。该模型假设银河系中心附近的脉冲星将其自旋损失能量的显著部分转化为高能电子和正电子，这些粒子通过逆康普顿散射与周围光子相互作用，产生扩展且空间弥散的VHE辐射。所需的脉冲星形成速率估计为每百万年490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀颗，与大质量恒星和X射线双星系统的预期一致。

ABSTRACT

Measurements of the nearby pulsars Geminga and B0656+14 by the HAWC and Milagro telescopes have revealed the presence of bright TeV-emitting halos surrounding these objects. If young and middle-aged pulsars near the Galactic Center transfer a similar fraction of their energy into TeV photons, then these sources could plausibly dominate the emission that is observed by HESS and other ground-based telescopes from the innermost $\sim$$10^2$ parsecs of the Milky Way. In particular, both the spectral shape and the angular extent of this emission is consistent with TeV halos produced by a population of pulsars, although the reported correlation of this emission with the distribution of molecular gas suggests that diffuse hadronic processes also must contribute. The overall flux of this emission requires a birth rate of ~100-1000 neutron stars per Myr near the Galactic Center, in good agreement with recent estimates.

研究动机与目标

• 重新评估银河系中心甚高能（VHE）伽马射线辐射的起源，挑战当前主流的质子驱动π介子产生模型。
• 研究观测到的VHE辐射能谱形状、空间范围和流量是否可由一群发射TeV电子和正电子的脉冲星解释。
• 评估脉冲星起源模型与附近脉冲星（如Geminga和B0656+14）现有观测的一致性。
• 估算银河系中心为解释观测到的VHE辐射所需中子星的形成速率，并与天体物理预期进行比较。

提出的方法

• 作者使用HAWC和Milagro对附近脉冲星Geminga和B0656+14的TeV晕的观测数据作为辐射机制的模板。
• 通过能量损失率模型，模拟脉冲星产生的高能电子和正电子对低能光子的逆康普顿散射，能量损失率由同步辐射和逆康普顿过程决定。
• 利用相对论性电子冷却方程计算能量损失率，其中包含汤姆孙截面和来自宇宙微波背景、星光及红外成分的辐射场密度。
• 构建脉冲星种群模型，假设脉冲星在最内侧1秒差距内形成，并经历新生反冲，导致向外迁移，形成扩展的辐射形态。
• 通过积分整个脉冲星种群计算总VHE伽马射线通量，假设恒定的形成速率，并假设一部分自旋损失能量被输运至VHE轻子。
• 通过反向建模校准模型，使其匹配HESS观测到的银河系中心辐射能谱和空间扩展，从而推导出所需形成速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心VHE伽马射线辐射的能谱形状和空间范围是否可由脉冲星产生的TeV电子和正电子通过逆康普顿散射解释？
• RQ2 在假设脉冲星将一部分自旋损失能量输运至VHE轻子的前提下，为重现观测到的VHE通量，银河系中心所需的中子星形成速率是多少？
• RQ3 观测到的VHE辐射与分子气体分布的相关性是否与脉冲星起源一致，还是必须引入强子组分？
• RQ4 脉冲星的新生反冲如何影响VHE辐射的空间形态？它们是否能解释观测到的延伸至约100秒差距的现象？
• RQ5 如果大多数脉冲星是磁星或具有束状辐射，是否仍能调和在Sgr A*附近未探测到射电脉冲星与高脉冲星形成速率之间的矛盾？

主要发现

• 银河系中心观测到的VHE伽马射线能谱和空间扩展与一群脉冲星的逆康普顿辐射一致，其能谱形状与Geminga和B0656+14周围TeV晕的观测结果相符。
• 基于对附近脉冲星的观测，该模型要求银河系中心的脉冲星将其自旋损失能量的7.2%至29%转化为VHE电子和正电子。
• 为解释观测到的通量，所需中子星总形成速率估计为每百万年490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀颗，与大质量恒星和低质量X射线双星种群的理论估算一致。
• 辐射的空间扩展可通过脉冲星因新生反冲向外迁移而自然解释，使VHE轻子的源远离银河系中心。
• 该模型预测，约25至190颗脉冲星的辐射束会指向地球，使其在未来射电巡天中可被探测到。
• 即使存在强子组分，该模型依然成立，因为观测到的与分子气体的相关性可能源于气体与脉冲星的空间共位，而非直接因果关系。