[论文解读] VERITAS Observation of Gamma-Ray Bursts

N. Galante|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

VERITAS 对 13 个伽马射线暴（GRBs）在触发时间后 1–4 分钟内进行了后续观测，利用其四台 12 米成像大气契伦科夫望远镜阵列，搜索极高能（VHE，>100 GeV）发射。在分析的五个高仰角伽马射线暴中未检测到显著的 VHE 信号；在 99% 置信水平下设定了通量上限，其中最灵敏的上限为 GRB 080310 的 4.48×10⁻¹² cm⁻²s⁻¹（能量 >350 GeV）。

ABSTRACT

During its first cycle of observations, VERITAS observed several GRBs in response to broadcast alerts from the Gamma-ray bursts Coordinates Network (GCN). The GRBs were followed up and observed thereafter with typical delays of 2 to 4 minutes from the beginning of the burst and of 92 s in the best case, searching for a very high energy (VHE) component above 100 GeV. The aim of the search for VHE emission from GRBs is to understand the behavior, composition and dynamics of the most accelerated particles in the bursts, as well as to get a better overall understanding of the model of GRBs. We report on the results from two years of observations by VERITAS.

研究动机与目标

• 使用地面契伦科夫望远镜搜索 GRBs 在 100 GeV 以上的极高能（VHE）伽马射线发射。
• 通过 VHE 观测理解 GRBs 中的粒子加速机制、组分及动力学特性。
• 通过探测谱函数在高能端可能存在的谱截止或拐点，检验 GRB 辐射的理论模型。
• 通过探测或约束低能观测平台无法获取的高能成分，增进对 GRB 物理机制的理解。
• 在实时警报条件下，表征 VERITAS 在快速响应 GRB 后续观测中的性能表现。

提出的方法

• VERITAS 使用位于惠普尔天文台的四台 12 米口径成像大气契伦科夫望远镜，探测由极高能伽马射线引发的广延空气簇射所产生的契伦科夫光。
• 在通过套接字连接接收到 GCN 警报后，望远镜在数秒内自动重新定位，以每秒 1° 的转速转动，以最大限度减少观测延迟。
• 仅对坐标不确定性在 5° 以内且仰角 >45° 的暴源进行数据收集，以确保分析的可靠性。
• 应用标准 VEGAS 分析软件，通过图像形状参数（长度和宽度）区分伽马射线簇射与质子引起的背景，背景抑制效果针对类似蟹状星云的谱函数进行了优化。
• 能量阈值因每次观测而异（250–450 GeV），并使用泊松统计法在 99% 置信水平下计算通量上限，检测效率的不确定性设为 20%。
• 分析聚焦于目标 GRB 的标准位置，并检查视场内是否存在多余事件，结果与背景涨落一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 VERITAS 能否在爆发触发后数分钟内，探测到 GRBs 在 100 GeV 以上的极高能（VHE）伽马射线发射？
• RQ2 GRBs 是否在超过 1 GeV 的能量范围内表现出谱截止或硬化，如费米-LAT 和 EGRET 观测所暗示的那样？
• RQ3 在 VHE 波段是否存在逆康普顿（IC）散射发射的证据，可能与 X 射线余晖的再次增亮有关？
• RQ4 VERITAS 在实时警报条件下进行快速响应 GRB 后续观测的灵敏度和性能如何？
• RQ5 观测到的通量上限如何约束 GRB 辐射机制和粒子加速的理论模型？

主要发现

• VERITAS 在 2008 年 1 月至 2009 年 4 月期间观测了 13 个 GRBs，其中 5 个因仰角高且条件有利，符合可靠标准分析的标准。
• 爆发触发时间（T₀）与观测开始时间之间的典型延迟为 2 至 4 分钟，最短延迟为 GRB 081024A 的 92 秒。
• 在五个分析的 GRBs 的标准位置均未发现事件的显著过剩，与背景涨落一致。
• 99% 置信水平下的通量上限范围为 4.48×10⁻¹² cm⁻²s⁻¹（GRB 080310，E > 350 GeV）至 6.81×10⁻¹² cm⁻²s⁻¹（GRB 081024A，E > 250 GeV），其中对 GRB 080310 的灵敏度最高。
• 结果与这些 GRBs 中不存在可探测的 VHE 辐射一致，支持了典型长 GRBs 在 VHE 波段的高能辐射可能微弱或缺失的观点。
• 目前正在对 VERITAS 在大天顶角和月光条件下的性能进行表征，这有望在未来提高灵敏度和观测效率。