Eine Schatzsuche nach den Ursprüngen sehr hochenergetischer Gammastrahlen

Wie sieht der VHE-Himmel aus?

Diese Autoren suchen nach VHE-Gammastrahlen von Blazaren, die von mehreren Katalogen, einschließlich 4FGL-DR3, gesammelt wurden Fermi-LAT genannt (was in Abbildung 2 zu sehen ist), Roma-BZKat, sowie andere Blazar-Kataloge. Der extragalaktische Himmel wird von Blazaren dominiert, wie in den blauen Kreuzen in Abbildung 2 zu sehen ist.

Abbildung 2: Verteilung von Photonen im Hauptkatalog, der in dieser Arbeit verwendet wird, in galaktischen Koordinaten (von Fermi-LAT-Zusammenarbeit Astrophys.J.Suppl. 247 (2020) 1, 33., Abbildung 14) und die ihnen zugeordneten Quellen. Die meisten Quellen in Rot sind in der Nähe von b = 0 gruppiert und zeigen die galaktischen Quellen im Katalog. Dieses Papier interessiert in erster Linie extragalaktische Quellen, also verwenden sie nur die Quellen mit b>|50| in ihrer Analyse.

Dieses Papier beschreibt seine Ereignisauswahl in galaktische koordinaten, was gemacht wird, weil die Quellen der VHE-Gammastrahlen sich von der Milchstraße im Vergleich zu extragalaktischen Quellen unterscheiden. Um extragalaktische Quellen zu untersuchen, betrachten die Autoren Photonen und Quellen, die in galaktischen Breiten (normalerweise als b), b>50 Grad (nördliche galaktische Hemisphäre) und b<-50 Grad (südliche galaktische Hemisphäre).

ein kreisförmiges Diagramm mit blauen Punkten, die Photonen darstellen, die gleichmäßig über den nördlichen galaktischen Pol verteilt sind.  Fortsetzung im nächsten Bild.
Ein kreisförmiges Diagramm mit isotrop über den Himmel verteilten blauen Punkten, die Photonen darstellen.  Auf der rechten Seite befindet sich eine Gruppierung roter Punkte, die die südliche Fermi-Blase darstellen.
Abbildung 3: VHE-Photonen für die Analyse mit b>|50|, nach Ausblenden bekannter Quellen. Die Region in Rot ist Teil der Südliche Fermi-Blase und wird auch ausgeblendet. Die Autoren prüfen die Annahme, dass jedes dieser Photonen aus einer individuellen Blazar-Quelle stammt. (Abbildung 2 im Papier).

Die Autoren testen die Hypothese, dass ein einzelnes VHE-Photon einem astrophysikalischen Gegenstück zugeordnet werden kann. Dazu wollen sie alle Cluster von VHE-Photonen ausblenden, die von hellen Gammastrahlenquellen stammen, um eine Doppelzählung dieser Cluster mit mehreren Quellen zu vermeiden. Nach dieser Maskierung ist die Datenprobe, die sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen galaktischen Region verwendet wird, in Abbildung 3 zu sehen.

Die Ergebnisse: Kommen VHE-Photonen aus Blazaren?

Mit diesen Methoden legen sie einen Assoziationsradius r festassoziiert=0,15 Grad, wobei für jedes Photon ein Blazar aus den Katalogen diesem Photon zugeordnet ist, wenn es sich innerhalb dieses Radius befindet. Anschließend erstellen sie 5000 Pseudo-Photonenlisten, indem sie jedes Datenphoton um einen zufälligen Betrag zwischen 0 und 5 Grad in eine zufällige Richtung verschieben. Die Anzahl der Übereinstimmungen in den realen Daten kann mit jeder dieser Scheinlisten verglichen werden, um eine statistische Signifikanz für die realen Daten zu erhalten, die in Abbildung 4 zu sehen ist.

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Diagramm, das die Assoziationen zwischen den verwendeten Photonen und Blazar-Quellen zeigt.  Es gibt 2 Verteilungen, orange und blau, die wie Poisson-Funktionen aussehen, zwischen 0 und 20 Übereinstimmungen, die die Übereinstimmungen für die Scheinlisten darstellen.  Es gibt 2 vertikale Linien für diese Verteilungen – Southern ist orange bei 69 Übereinstimmungen und Northern ist blau mit 114 echten Übereinstimmungen.
Abbildung 4: Anzahl der Übereinstimmungen zwischen VHE-äquivalenten Photonen und bekannten Blazar-Quellen im Vergleich zu Scheinlisten von VHE-Photonen, bei denen die Photonen zufällig um 0-5 Grad von ihrer tatsächlichen Quelle in eine zufällige Richtung verschoben sind. Diese Scheinlisten ergeben Übereinstimmungen, wie in den Verteilungen auf der linken Seite des Diagramms gezeigt, und können mit einer Poisson-Funktion angepasst werden, um die Signifikanz der tatsächlichen Anzahl von Übereinstimmungen zu berechnen (vertikale Linien, gekennzeichnet mit NS und NN). (Abbildung 5 im Papier)

Sie finden heraus, dass 22,8 % der extragalaktischen VHE-Photonen mit Blazaren bei einem Signifikanzniveau von 40,3 assoziiert werden können Sigma zwischen den beiden Hemisphären kombiniert (dies ist eine extrem hohe Signifikanz – nur 5 Sigma bedeutet, dass eine Chance von eins zu einer Million besteht, dass es sich um eine zufällige Schwankung handelt). Etwa 70 % dieser Assoziationen beziehen sich auf eine bestimmte Art von Blazar, BL Lac-Objekteobwohl BL Lacs nur 28% des Hauptkatalogs ausmachen.

Sie berücksichtigen auch die Vollständigkeit ihres Katalogs und vergleichen Sie dieses Ergebnis mit anderen Katalogen, darunter einem, der vollständiger ist. Vollständigkeit ist ein Maß dafür, wie viel Prozent von Quellen eines bestimmten Typs in einem bestimmten Katalog vorhanden sind. Wenn wir zum Beispiel wissen könnten, dass es 1000 Blazare in einer bestimmten Region des Himmels gibt, die von einem Katalog abgedeckt werden, aber nur 500 davon im Katalog sind, dann ist dieser Katalog zu 50 % vollständig. Mit diesem vollständigeren Katalog (genannt WISECATS) stellen sie fest, dass 27,3 % dieser VHE-Photonen mit Blazaren assoziiert sind.

Schlussfolgerungen: Was bedeutet das?

Die Autoren können aus diesem Papier einige unterschiedliche Schlussfolgerungen ziehen. Ihre Hauptfrage in dieser Analyse lautet: Ist 1 VHE extragalaktischer Photonennachweis ein Beweis für einen Blazar?

Die Antwort scheint zu sein Nein: Sie beobachten, dass 22,8 % der VHE-Photonen in ihrer Probe mit Blazaren assoziiert werden können, was bedeutet, dass mehr als 75 % der VHE-Gammastrahlen keinen eindeutigen Ursprung haben. Selbst wenn sie einen Katalog mit mehr Blazaren verwenden, stellen sie immer noch fest, dass weniger als 30 % der VHE-Gammastrahlen von Blazaren stammen. Ein weiteres interessantes Ergebnis dieser Arbeit ist, dass fast 70 % ihrer Übereinstimmungen von BL Lac-Objekten stammen und nicht von anderen Blazar-Typen.

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Diese Ergebnisse sind besonders spannend für kommende Gammastrahlen-Teleskope wie das Cherenkov Telescope Array (CTA)das in der Lage sein wird, diese VHE-Gammastrahlen zu untersuchen und hoffentlich mehr Einblick in den extragalaktischen diffusen Gammastrahlenhimmel zu geben.

Astrobite herausgegeben von Evan Lewis

Bildnachweis: bearbeitetes Bild, kombiniert Schatzkarte, Fermi-LATund NASA

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