[论文解读] Unidentified Gamma-Ray Sources as Ancient Pulsar Wind Nebulae

A. Djannati-Ata, Ferreira, S. E. S.+7 more|ArXiv.org|Jun 15, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 29

一句话总结

本文提出，未识别的极高能（VHE）伽马射线源可能是古老的脉冲星风星云（PWNe），其同步辐射因磁场衰减而消失，但逆康普顿（IC）伽马射线辐射仍保持明亮。通过采用具有时间依赖自转能耗散功率和粒子注入的磁流体动力学（MHD）模型，表明PWN的磁场随时间衰减为 $ t^{-1.3} $，导致X射线通量下降，而IC伽马射线通量则先上升至峰值，随后因绝热损失和IC损失而下降，解释了古老PWN在GeV/TeV波段长期可见的原因。

ABSTRACT

In this paper we explore the evolution of a PWN while the pulsar is spinning down. An MHD approach is used to simulate the evolution of a composite remnant. Particular attention is given to the adiabatic loss rate and evolution of the nebular field strength with time. By normalising a two component particle injection spectrum (which can reproduce the radio and X-ray components) at the pulsar wind termination shock to the time dependent spindown power, and keeping track with losses since pulsar/PWN/SNR birth, we show that the average field strength decreases with time as $t^{-1.3}$, so that the synchrotron flux decreases, whereas the IC gamma-ray flux increases, until most of the spindown power has been dumped into the PWN. Eventually adiabatic and IC losses will also terminate the TeV visibility and then eventually the GeV visibility.

研究动机与目标

• 解释未识别的极高能（VHE）伽马射线源为演化后的脉冲星风星云（PWNe），其同步辐射已衰减但逆康普顿伽马射线辐射仍持续存在。
• 利用来自中心脉冲星的时间依赖自转能耗散功率输入，建模PWN磁场强度和多波段（MWL）辐射的时间演化。
• 结合PWN的演化状态，将射电、X射线和GeV/TeV波段的观测通量水平与年轻复合超新星遗迹G21.5-0.9的原型进行一致性校验。
• 确定PWN在射电和X射线消失后仍能长期在伽马射线波段被探测到的条件。
• 量化绝热损失和逆康普顿损失在决定古老PWN伽马射线可见性终止时间中的作用。

提出的方法

• 在球坐标系中采用单流体MHD模型，求解质量、动量和能量守恒的欧拉方程，绝热指数为5/3。
• 通过感应方程 $ \partial\mathbf{B}/\partial t + \nabla \times (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) = 0 $ 运动学地建模磁场演化，不考虑对流体的反作用。
• 脉冲星自转能耗散光度建模为 $ L(t) = L_0 / (1 + t/\tau)^2 $，其中 $ \tau $ 由脉冲星的诞生周期、当前周期和制动指数3推导得出。
• 粒子注入通过双组分幂律谱建模：$ Q(E,t) = Q_0(t) E^{-p_1} $（当 $ E < E_b $ 时），以及 $ Q_0(t)(E/E_b)^{-p_2} $（当 $ E > E_b $ 时），其中 $ p_1 = 1 $，$ p_2 = 2.6 $，$ E_b = 40 $ GeV。
• 总注入电子能量为 $ W_e(t) = \eta \Delta E_{\text{rot}} $，其中 $ \eta $ 为自转能耗散功率转化为粒子的效率。
• 利用宇宙微波背景辐射（CMBR）、25 K银河尘埃和星光（1 eV/cm³）的辐射场计算IC伽马射线通量，其能量密度与银心区域匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 未识别的VHE伽马射线源的观测特性能否由同步辐射衰减但逆康普顿辐射持续存在的演化后PWN来解释？
• RQ2 PWN中的磁场强度如何随时间演化？其与脉冲星自转能耗散 timescale 的依赖关系如何？
• RQ3 为何部分PWN在X射线和射电辐射已衰减后仍能在GeV/TeV波段保持明亮？
• RQ4 绝热损失和逆康普顿损失在决定PWN伽马射线可见性寿命中的作用是什么？
• RQ5 能否通过时间依赖的粒子注入模型和演化的磁场，重现G21.5-0.9的多波段谱？

主要发现

• PWN中的平均磁场强度以 $ t^{-1.3} $ 衰减，导致X射线同步辐射通量随时间显著下降。
• 逆康普顿（IC）伽马射线通量随时间增加，在达到峰值后因绝热损失和IC能量损失而下降。
• 在G21.5-0.9当前年龄（约1 kyr）时，模型预测的X射线、射电和GeV/TeV通量与观测结果高度一致，验证了模型的可靠性。
• 为重现观测到的X射线和TeV通量，需采用较高的粒子注入效率 $ \eta = 0.7 $，表明自转能耗散功率高效转化为相对论性电子。
• 在 $ E_b = 40 $ GeV 处的本征谱 break（对应射电波段约 $ \sim 10^{12} $ Hz）不能由辐射损失造成，因为这将需要不切实际的强磁场。
• PWN的伽马射线可见性可远长于其射电和X射线可见性，IC通量在损失或结构破坏终止发射前仍可被探测到。