[论文解读] VERITAS Observations of Magnetars

R. Guénette|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

VERITAS 对两颗磁星 4U 0142+61 和 1E 2259+586 在宁静期进行了高能伽马射线观测，以检验由磁场衰减引起的非热 TeV 辐射的理论预测。未检测到显著辐射，分别在 400 GeV 以上设定了 99% 置信水平的上限，分别为蟹状星云通量的 0.9% 和 2.5%，从而对爆发期间强子或电磁 TeV 辐射模型形成约束。

ABSTRACT

Magnetars are rotating neutron stars with extremely strong magnetic fields (~ 10^14-10^15 G). X-ray and soft gamma-ray observations have revealed the existence of non-thermal particle populations which may suggest emission of very high energy photons. VERITAS, an array of four 12m imaging atmospheric Cherenkov telescopes, is designed to observe gamma-ray emission between 100 GeV and 30 TeV. Here we present the results of VERITAS observations of two magnetars, 4U 0142+61 and 1E 2259+586.

研究动机与目标

• 检验由于磁场衰减导致的磁星持续超高能（VHE）伽马射线辐射的理论预测。
• 在无 X 射线耀发活动的宁静期搜索 VHE 辐射，作为未来爆发期间机会目标观测的基线。
• 约束在巨大 X 射线耀发期间通过强子相互作用或电磁级联过程产生 TeV 辐射的理论模型。
• 为未来与潜在爆发诱导的 VHE 辐射进行比较，建立通量上限。
• 评估使用成像大气契伦科夫望远镜（如 VERITAS）探测磁星 VHE 辐射的可行性。

提出的方法

• VERITAS 是由四台 12 米成像大气契伦科夫望远镜组成的阵列，对两颗磁星在 100 GeV 至 30 TeV 能量范围进行了观测。
• 观测在黑暗时间及低月光条件下进行，4U 0142+61 采用近点指向模式，1E 2259+586 采用偏移 0.5° 的 wobble 模式。
• 数据选择应用了质量筛选，要求每幅图像至少有 500 个数字计数，中心图像质心位于 1.5° 以内，且图像形状满足约束条件（归一化宽度/长度在 -1.2 至 0.5 之间）。
• 背景估计采用“环形背景”模型，显著性通过 Li 和 Ma 方法（公式 17）计算。
• 通量上限采用 Helene 方法计算，假设幂律谱指数为 -2.5，单位为蟹状星云通量。
• 能量阈值设定在 400 GeV 以上，上限在 99% 置信水平下得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据某些非热辐射模型的预测，磁星在宁静期是否可探测到持续的 VHE 伽马射线辐射？
• RQ2 如电磁或强子相互作用模型所理论化，VERITAS 是否可探测到磁星在重大 X 射线爆发期间的 TeV 辐射？
• RQ3 在幂律谱指数为 -2.5 的假设下，磁星 VHE 辐射的通量上限是多少？
• RQ4 观测到的上限如何约束磁星辐射机制的理论模型？
• RQ5 能否对超新星遗迹 CTB 109 进行点源 VHE 辐射探测，以寻找其中心磁星 1E 2259+586 的辐射？

主要发现

• 未在 4U 0142+61 中探测到显著伽马射线辐射，400 GeV 以上能量的 99% 置信水平上限为 8.68 × 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹，相当于蟹状星云通量的 0.9%。
• 对于 1E 2259+586，400 GeV 以上能量的 99% 置信水平通量上限为 2.49 × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹，对应蟹状星云通量的 2.5%。
• 4U 0142+61 的源区事件计数显著性为 -2.9σ，表明与背景无过剩。
• 1E 2259+586 的显著性为 1.5σ，同样与背景涨落一致。
• 这些结果对爆发期间产生 TeV 辐射的模型形成约束，因为约 100 倍蟹状星云通量的辐射在 0.3 秒的爆发中应可被轻易探测到。
• 这些上限适用于 1E 2259+586 的磁星及其周围超新星遗迹 CTB 109，因其位于源中心。