[论文解读] The time averaged TeV energy spectrum of Mkn 501 of the extraordinary 1997 outburst as measured with the stereoscopic Cherenkov telescope system of HEGRA

F. Aharonian|ArXiv.org|Mar 25, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 74

一句话总结

该论文报告了在1997年爆发期间，利用HEGRA立体切伦科夫望远镜系统对BL Lac天体Mkn 501首次获得的高精度、时间平均的TeV能谱。基于超过38,000个探测到的TeV光子和20%的能量分辨率，该研究首次探测到10 TeV以上的伽马射线，并精确测量了谱中的指数截断，其谱形可由幂律加指数截断函数精确描述：dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀)，其中N₀ = 10.8 × 10⁻¹¹ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹，α = 1.92，E₀ = 6.2 TeV。

ABSTRACT

During the several months of the outburst of Mkn 501 in 1997 the source has been monitored in TeV gamma-rays with the HEGRA stereoscopic system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Quite remarkably it turned out that the shapes of the daily gamma-ray energy spectra remained essentially stable throughout the entire state of high activity despite dramatic flux variations during this period. The derivation of a long term time-averaged energy spectrum, based on more than 38,000 detected TeV photons, is therefore physically meaningful. The unprecedented gamma-ray statistics combined with the 20% energy resolution of the instrument resulted in the first detection of gamma-rays from an extragalactic source well beyond 10 TeV, and the first high accuracy measurement of an exponential cutoff in the energy region above 5 TeV deeply into the exponential regime. From 500 GeV to 24 TeV the differential photon spectrum is well approximated by a power-law with an exponential cutoff: dN/dE = N0 (E/1 TeV)^{-alpha} exp(-E/E0), with N0=(10.8 +-0.2(stat) +-2.1(sys)) 1E-11/cm^2 s TeV, alpha=1.92 +-0.03(stat) +-0.20(sys), and E0=(6.2 +-0.4(stat) (-1.5 +2.9)(sys) TeV. We summarize the methods for the evaluation of the energy spectrum in a broad dynamical range which covers almost two energy decades, and study in detail the principal sources of systematic errors. We also discuss several important astrophysical implications of the observed result concerning the production and absorption mechanisms of gamma-rays in the emitting jet and the modifications of the initial spectrum of TeV radiation due to its interaction with the diffuse extragalactic background radiation.

研究动机与目标

• 确定1997年前所未有的爆发期间Mkn 501的时间平均TeV能谱，利用前所未有的光子统计量。
• 评估尽管在数天内通量变化强烈，每日伽马射线能谱的稳定性。
• 评估成像大气契伦科夫望远镜在能量重建和有效面积测定中的系统误差。
• 探讨观测谱的天体物理意义，特别是关于TeV伽马射线的产生、吸收及其与星系际背景光的相互作用。

提出的方法

• HEGRA立体系统由四台成像大气契伦科夫望远镜组成，在1997年3月至9月期间共观测110小时，收集了超过38,000个TeV光子。
• 通过组合每日能谱，假设谱形在通量变化下保持稳定，推导出时间平均能谱。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模望远镜响应，包括触发效率（P(V)）、光收集（Q）和信号生成（V），以校正系统偏差。
• 通过比较数据与模拟在阈值区域的一致性，特别是固定V下的Q分布，来评估系统误差，以检验γ/β比值的一致性。
• 通过测量事件率与模拟事件率的比值对有效面积和能量标度进行校准，应用修正以最小化谱形畸变。
• 谱形通过幂律加指数截断函数拟合：dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀)，参数通过最大似然法拟合获得。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1997年爆发期间，尽管Mkn 501的TeV能谱在小于一天的时间尺度上通量变化强烈，其谱形是否保持稳定？
• RQ2 在高统计量和高能量分辨率条件下，Mkn 501的时间平均TeV能谱形状，特别是在10 TeV以上，是否能被精确测定？
• RQ3 能量重建和有效面积测定中的系统误差在多大程度上影响所推导的谱形，特别是在阈值区域？
• RQ4 观测谱在多大程度上约束了本征辐射机制以及TeV光子与星系际背景光的相互作用？
• RQ5 在高能区的谱截断是否能可靠测量并解释为光子吸收或源本征截断的证据？

主要发现

• 从500 GeV到24 TeV的时间平均微分光子谱最符合幂律加指数截断函数：dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀)。
• 归一化值测量为N₀ = (10.8 ± 0.2_stat ± 2.1_sys) × 10⁻¹¹ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹。
• 光子指数为α = 1.92 ± 0.03_stat ± 0.20_sys。
• 谱截断能量为E₀ = (6.2 ± 0.4_stat −1.5+2.9_sys) TeV，这是首次在深度指数截断区域实现高精度测量。
• 尽管通量在110小时观测期内变化超过三倍，谱形未显示显著演化。
• 该分析确认首次探测到来自河外源的10 TeV以上伽马射线，显著性超过5σ。