[论文解读] VERITAS observations of HESS J0632+057

G. Maier|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

VERITAS 对未关联的 VHE 伽马射线源 HESS J0632+057 的观测揭示了其 1 TeV 以上发射存在显著变异性，与早期 H.E.S.S. 测量结果相比，通量变化的概率达到 4σ。结果支持该源为类似 LS I +61 303 或 LS 5039 的 TeV 双星系统，其伽马射线发射由相对论喷流或激波中的粒子加速驱动，可能与大质量恒星 MWC 148 相关。

ABSTRACT

HESS J0632+057 is one of only two unidentified high energy gamma-ray sources which appear to be point-like in nature. It is possibly associated with the massive star MWC 148 and has been suggested to resemble known TeV binary systems like LS I +61 303 or LS 5039. These binaries are rare and extreme (only three TeV binaries are known to date), and their gamma-ray emission mechanism has not been understood. HESS J0632+057 was observed by VERITAS, an array of four 12 m imaging atmospheric Cherenkov telescopes, in 2006, 2008 and 2009. Based on these observations we present evidence for variability in the high energy gamma-ray emission from HESS J0632+057.

研究动机与目标

• 调查 HESS J0632+057 的高能伽马射线发射是否随时间变化，该源为点状、未关联的 VHE 源。
• 检验 HESS J0632+057 是否为类似 LS I +61 303 或 LS 5039 的 TeV 双星系统的假设，鉴于其点状形态和可变的 X 射线发射。
• 评估大质量恒星 MWC 148 是否为 VHE 辐射的中心引擎，可能通过磁化风激波中的粒子加速实现。
• 利用 VERITAS 数据约束 1 TeV 以上 VHE 伽马射线通量，并与早期 H.E.S.S. 测量结果比较，以检测时间变异性。
• 评估 HESS J0632+057 作为银河系中新型 VHE 辐射体原型的潜力，其能量来源于大质量恒星强磁场。

提出的方法

• VERITAS 于 2006 年 12 月、2008 年 12 月和 2009 年 1 月进行了三次观测活动，使用由四台 12 米成像大气契伦科夫望远镜组成的阵列。
• 数据以偏移模式采集，源位置偏离相机中心 0.5°，以提高背景抑制和天空覆盖范围。
• 对图像进行校准、清理和立体重建，以重建簇射图像并估计撞击位置和方向。
• 通过基于图像参数（均值归一化缩放宽度/长度）的形状切片和角度重建（Θ² 切片）实现伽马射线与强子的分离。
• 利用“环形背景”和“反射区域”方法增强背景抑制，将宇宙射线背景减少超过 99.9%，同时保留 45% 的伽马射线事件。
• 能量阈值设定为 720 GeV，假设幂律谱指数 Γ = 2.5，在 99% 置信水平下计算通量上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 HESS J0632+057 的高能伽马射线发射是否在多 epoch 观测中表现出时间变异性？
• RQ2 HESS J0632+057 观测到的通量变异性是否支持其与 LS I +61 303 或 LS 5039 类似的 TeV 双星系统的关联？
• RQ3 该伽马射线发射是否可由与 MWC 148 的双星系统中致密天体产生的相对论喷流或激波中的粒子加速来解释？
• RQ4 MWC 148 的周星环境是否具有足够的磁化程度以支持二级费米加速并产生可探测的 TeV 辐射？
• RQ5 VERITAS 通量上限与早期 H.E.S.S. 通量测量之间的差异在源变异性方面具有何种显著意义？

主要发现

• VERITAS 在三次观测组中总共观测 HESS J0632+057 1862 分钟，未在源位置检测到显著的伽马射线事件（1 TeV 时显著性为 2.1σ）。
• 在 99% 置信水平下，1 TeV 以上通量的上限为 2.6 × 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹，约为蟹状星云通量的 1.1%。
• 该 VERITAS 通量上限比 2004–2005 年 H.E.S.S. 报告的通量测量值低 2.4 倍，表明通量显著下降。
• 对 VERITAS 和 H.E.S.S. 通量进行卡方检验，得出通量恒定的概率仅为 0.007%（≈4σ），为变异性提供了强有力证据。
• 先前报道的关联源 XMMU J063259.3+054801 的 X 射线变异性与伽马射线变异性一致，支持其起源于双星系统的共同起源。
• 结果支持 HESS J0632+057 为 TeV 双星系统的场景，其伽马射线发射通过相对论喷流或激波中的粒子加速产生，与 LS I +61 303 和 LS 5039 类似。