[论文解读] Upper limits on the VHE $γ$-ray flux from the ULIRG Arp 220 and other galaxies with VERITAS

Henrike Fleischhack|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究基于VERITAS观测，首次对极亮红外星系Arp 220及其他三十余个星系的甚高能（VHE）伽马射线发射给出了迄今最灵敏的上限。尽管累积观测时间超过30小时未检测到显著信号，但这些上限有效排除了99%置信水平下最乐观的宇宙射线加速与VHE伽马射线产生理论模型，为星暴及ULIRG环境中的宇宙射线物理提供了关键约束。

ABSTRACT

The cores of ultra-luminous infrared galaxies (ULIRGs) are very dense environments, with a high rate of star formation and supernova explosions. They are thought to be sites of cosmic-ray acceleration, and are predicted to emit $γ$-rays in the GeV to TeV range. So far, no ULIRG has been detected in $γ$-rays. Arp 220, the closest ULIRG to Earth, has been well studied, and detailed models of $γ$-ray production in this galaxy are available. They predict a rather hard $γ$-ray spectrum up to several TeV. Due to its large rate of star formation, high gas density, and its close proximity to Earth, Arp 220 is thought to be a very good candidate for observations in very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) $γ$-rays. Arp 220 was observed by the VERITAS telescopes for more than 30 hours with no significant excess over the cosmic-ray background. The upper limits on the VHE $γ$-ray flux of Arp 220 derived from these observations are the most sensitive limits presented so far and are starting to constrain theoretical models. We also present upper limits for the VHE flux from the ULIRG IRAS 17204-0014, the starburst galaxy IC 342, and the active galaxy 3C321.

研究动机与目标

• 搜索邻近的ULIRG星系Arp 220（具有高恒星形成率与致密星际介质）的VHE伽马射线发射，该星系理论上应产生VHE伽马射线。
• 检验通过致密恒星形成环境中宇宙射线相互作用产生VHE伽马射线的理论模型。
• 利用迄今最灵敏的观测上限，改进对星暴与ULIRG星系VHE通量预测的约束。
• 评估恒星形成星系中VHE-FIR光度相关性的一致性，特别是针对非检测结果。
• 评估当前IACT（如VERITAS）对高光度、高密度星系VHE发射的探测灵敏度。

提出的方法

• VERITAS对Arp 220及另外三个星系（IRAS 17204-0014、IC 342和3C321）进行了深度观测，总观测时间超过30小时。
• 分析采用标准伽马射线源提取与背景建模技术，以搜索高于宇宙射线背景的多余事例。
• 在假设幂律谱指数分别为-2.5（星暴星系）和-3.0（活动星系3C321）的前提下，计算了积分通量的上限。
• 将VERITAS能量标度的系统不确定度（20%）传播至结果，根据谱指数不同，对通量上限的影响最高达40%。
• 通过基于M82实测VHE通量与FIR光度的标度关系，将理论通量预测与上限进行比较。
• 采用多种理论框架的公开预测结果进行模型对比，包括假设卡里米特条件与EBL吸收的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于VERITAS观测，Arp 220及其他恒星形成星系的VHE伽马射线通量最严格上限为何？
• RQ2 VERITAS的上限在多大程度上约束了ULIRG中VHE伽马射线发射的现有理论模型？
• RQ3 在高光度恒星形成星系中，非检测结果能否验证或挑战VHE-FIR光度相关性？
• RQ4 能量标度与谱指数假设中的系统不确定度如何影响非检测结果的解释？
• RQ5 未来需具备何种观测能力才能探测或排除Arp 220的VHE发射？

主要发现

• VERITAS对Arp 220的观测超过30小时，未发现显著伽马射线超额，99%置信水平下E > 500 GeV的积分通量上限为≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹。
• Arp 220的上限为迄今最灵敏，且在99%置信水平下排除了最乐观的VHE发射理论模型。
• IC 342的上限为≤ 1.6 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹（E > 500 GeV），与基于M82标度关系的粗略预测一致。
• IRAS 17204-0014的上限为≤ 1.0 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹（E > 600 GeV），同样与基于M82的通量估计一致。
• 活动星系3C321的上限为≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻¹ s⁻¹（E > 500 GeV），假设谱指数为-3.0。
• 结果与Arp 220理论预测的下限一致，表明当前IACT已接近探测或排除其发射所需的灵敏度。