[论文解读] VERITAS Observations of LS I +61 303 in the Fermi Era

J. Holder|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文报告了对大质量X射线双星LS I +61 ∘ 303在单个轨道周期内首次同时进行的TeV（VERITAS）和GeV（Fermi-LAT）观测。研究发现TeV与GeV通量状态之间无相关性：GeV辐射在近星点（φ ≈ 0.275）达到峰值，而同一相位范围内TeV辐射未被探测到，这一结果对现有高能辐射机制模型提出了挑战。

ABSTRACT

The high-mass X-ray binary system LS I +61 303 is well known as a rare example of a variable Galactic GeV and TeV gamma-ray emitter. Despite years of study, many aspects of the system remain unclear; the nature of the compact object, the particle acceleration mechanisms and the gamma-ray emission and absorption processes can all be modelled in a variety of different scenarios. Here we report on a deep exposure of LS I +61 303 made with the VERITAS array during the 2008-2009 observing season. These are the first TeV observations made with contemporaneous coverage at lower energies by the LAT onboard Fermi, and as such provide a new set of constraints for system models.

研究动机与目标

• 研究LS I +61 ∘ 303在单个轨道周期内GeV与TeV能段的同步多波段行为。
• 通过对比同时期的Fermi-LAT与VERITAS数据，检验轨道相位依赖性发射模型的一致性。
• 通过识别GeV与TeV波段之间的通量相关性或反相关性，对粒子加速与伽马射线发射的理论模型进行约束。
• 评估光子-光子吸收与能量依赖性损失对轨道相位间观测光谱变异性的影响。

提出的方法

• VERITAS于2008年10月至11月对LS I +61 ∘ 303进行了深度、高海拔观测，总观测时长达28.6小时，覆盖轨道相位φ = 0.03–0.75。
• 2009年1月至2月开展了第二次观测活动，持续8.2小时，以与Suzaku X射线观测同步，覆盖φ = 0.64–0.91。
• 数据使用标准VERITAS分析工具处理，背景估计采用偏移模式，源区背景减除采用圆环背景方法。
• 能量阈值设定为440 GeV，基于平均观测海拔57°，光谱分析假设幂律指数α = -2.5。
• 通过两条独立分析链计算统计显著性以验证结果，通量上限在95%置信水平下计算得出。
• 使用同时期的Fermi-LAT光 lightcurve 数据，将GeV通量调制与TeV观测结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 LS I +61 ∘ 303在轨道周期内，TeV与GeV通量状态之间是否存在相关性？
• RQ2 如先前观测所示，TeV辐射是否在远星点处达到峰值，或是否与GeV辐射呈反相关？
• RQ3 光子-光子吸收与能量依赖性损失如何在不同轨道相位下差异性地影响观测到的TeV与GeV通量？
• RQ4 现有双星系统中强子或轻子辐射模型能否再现GeV与TeV通量之间缺乏相关性的观测结果？

主要发现

• 在36.8小时的联合曝光中，VERITAS探测到3.4σ的超额信号，得出500 GeV以上积分通量为(6.2 ± 2.6) × 10⁻¹³ ph cm⁻² s⁻¹。
• 尽管在φ = 0.0–0.65相位范围内存在强烈的同期GeV辐射（峰值出现在近星点，φ ≈ 0.275），但未探测到显著的TeV辐射。
• 在近星点期间未探测到TeV辐射，而此时GeV辐射最强，表明GeV与TeV通量状态之间存在强烈反相关性。
• 远星点覆盖存在数据空白（φ = 0.72–0.82），限制了排除该相位TeV辐射峰值的可能性，但整体趋势显示无相关性。
• 观测到的GeV与TeV通量之间的反相关性为LS I +61 ∘ 303中粒子加速与伽马射线发射的理论模型提供了关键约束。
• 结果挑战了假设能量波段间存在单一辐射机制的模型，支持涉及能量依赖性吸收或粒子加速效率变化的场景。