[论文解读] Very high energy emission from the hard spectrum sources HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130

E. O. Angüner, S. Casanova+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究报道了三个具有硬谱的H.E.S.S.源——HESS J1641-463、HESS J1741-302和HESS J1826-130——的甚高能（VHE）伽马射线辐射，表明它们可能是能够将宇宙射线加速至数百TeV的佩瓦特龙（PeVatrons）。分析结果支持以致密星际气体为靶标的强子模型，提示银河系中可能存在一类新的佩瓦特龙宇宙射线加速器。

ABSTRACT

A recent study of the diffuse $γ$-ray emission in the Central Molecular Zone using very high energy (VHE, E $>$ 0.1 TeV) H.E.S.S. data suggests that the Galactic Center (GC) is the most plausible supplier of Galactic ultra-relativistic cosmic-rays (CRs) up to the knee at about 10$^{15}$ eV (PeV). However, the GC might not be the only source capable to accelerate CRs up to PeV energies in the Galaxy. Here we present H.E.S.S. data analysis results and interpretation of three H.E.S.S. sources, with spectra extending beyond 10 TeV and relatively hard spectral indices compared with the average spectral index of H.E.S.S. sources, namely HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130. Although the nature of these VHE $γ$-ray sources is still open, their spectra suggest that the astrophysical objects producing such emission must be capable of accelerating the parental particle population up to energies of at least several hundreds of TeV. Assuming a hadronic scenario, dense gas regions can provide rich target material for accelerated particles to produce VHE $γ$-ray emission via proton-proton interactions followed by a subsequent $π^{0}$ decay. Thus, detailed investigations of the interstellar medium along the line of sight to all of these sources have been performed by using data from available atomic and molecular hydrogen surveys. The results point out the existence of dense interstellar gas structures coincident with the best fit positions of these sources. One can find possible hadronic models with CRs being accelerated close to the PeV energies to explain the $γ$-ray emission from all of these sources, which opens up the possibility that a population of PeV CR accelerators might be active in the Galaxy.

研究动机与目标

• 研究三个未识别的、具有延伸至10 TeV以上的硬谱甚高能（VHE）伽马射线源的本质。
• 确定这些源是否能够作为将宇宙射线加速至佩瓦特（PeV）能量的源。
• 评估致密星际气体在通过强子相互作用产生VHE伽马射线中的作用。
• 评估解释观测到的VHE辐射的强子与轻子发射情景之间的竞争关系。
• 探讨这些源是否代表一类新的银河系佩瓦特宇宙射线加速器（PeVatrons）的可能性。

提出的方法

• 使用前向折叠法与反射背景模型分析H.E.S.S.第一阶段阵列数据，以重建能谱与形态。
• 在HESS J1741-302与HESS J1826-130中应用多变量分析（TMVA）以提升伽马-强子分离效果。
• 采用环形背景模型进行背景估计与显著性计算。
• 将源位置与原子氢和分子氢巡天结果进行交叉相关，以识别视线方向上的致密气体结构。
• 通过公式 $ t_{pp} = 5.76 \times 10^{15} \times (n_{\text{gas}}/\text{cm}^{-3})^{-1} $ s 估算质子-质子相互作用时间与能量预算。
• 比较强子与轻子发射模型，包括能量谱指数约为2.0、截止能量约70 TeV的未冷却电子的逆康普顿散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 HESS J1641-463、HESS J1741-302与HESS J1826-130的硬VHE伽马射线谱是否可由宇宙射线与致密星际气体的强子相互作用解释？
• RQ2 在强子情景下，为解释观测到的VHE辐射，所需的能量预算与质子注入谱为何？
• RQ3 缺乏变异性与点状形态是否与双星或脉冲星风星云（PWN）起源一致？
• RQ4 涉及高能电子逆康普顿散射的轻子情景是否能够解释VHE辐射，特别是HESS J1826-130？
• RQ5 这些源是否代表一类与银河系中心不同的、新的银河系佩瓦特宇宙射线加速器（PeVatrons）？

主要发现

• HESS J1641-463、HESS J1741-302与HESS J1826-130表现出延伸至10 TeV以上的VHE伽马射线谱，且具有硬谱指数，表明其原初粒子可能被加速至数百TeV能量。
• 这些源的位置与致密星际气体结构在空间上重合，支持通过质子-质子相互作用产生的强子起源。
• 强子辐射所需的能量预算为：HESS J1641-463（距离11 kpc）约为 $ W_{pp} \sim 10^{48} $ erg，HESS J1826-130（距离4 kpc）约为 $ \sim 10^{47} $ erg，HESS J1741-302的值取决于气体密度。
• 对于HESS J1826-130，包含未冷却电子且截止能量约70 TeV的轻子情景可解释其硬谱，电子能量输出为 $ 2 \times 10^{47} $ erg（距离7 kpc）。
• 未检测到显著变异性，但由于统计量低且消光高，尚不能排除双星或脉冲星风星云（PWN）起源。
• 结果提示可能存在一类银河系佩瓦特宇宙射线加速器，尽管强子与轻子模型均仍成立，未来需借助CTA进行高分辨率观测以明确区分。