TeV大尺度扩展源的多波段分析

Several famous objects in the Milky Way galaxy are potential sources of galactic cosmic rays. They are pulsar and its pulsar wind nebular (PWN), supernova remnant (SNR), giant molecular cloud (MC) and its associated star forming regions and so on. Most of them are extended sources. Because when the high energy cosmic rays passing through and interacting with the surrounding dense and thick gas, large amounts of high-energy gamma photons are produced. While the high energy electron can easily interact with nearing matter and be absorbed. Most of the large extended sources in the TeV catalog have not yet been identified and are very mysterious. Ground-based Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) owns the wide field of view and highest detection ability of very high and super high gamma ray sensitivity. Accurate observation of large extended sources of TeV can be realized. The project will combine the LHAASO observation data with low energy bands of observations to study the physical properties and the radiation mechanism, to explore its correlation with the origin of the cosmic ray. At the same time, because the TeV extended sources often exhibits different sizes and forms in the low energy band, even the displacement may contain multiple point sources. Therefore, this project will also focus on exploring ways to effectively find the counterparts of TeV large-scale expansion sources.

银河系中有几类著名的天体是潜在的宇宙线加速源，分别是脉冲星和它的脉冲星风云，超新星遗迹，巨型分子云及其相关联的恒星形成区等。它们大多都具有扩展结构，因为加速区高能的宇宙线穿过周围密度大而且厚的气体并发生相互作用就会产生大量高能的次级γ光子，如果是高能的电子则容易与近距离的物质发生相互作用而被吸收。目前，TeV源列表中大多数的大尺度扩展源尚未得到认证而显得格外神秘。地面大型高海拔宇宙线观测站LHAASO项目具有大视场，以及从甚高能到超高能段γ射线的高灵敏探测能力，可实现对TeV大尺度扩展源的精确观测。本项目将利用LHAASO的观测数据与低能波段观测相结合的多波段分析方法对大尺度扩展源的物理性质和辐射机制进行研究，探索其与宇宙线起源的相关性。同时，由于TeV扩展源在低能波段往往表现出不同的大小，形态，位移或包含多颗点源的情形。因此，本项目也将重点研究有效寻找TeV大尺度扩展源的对应体的方法。

天体的超高能（UHE）伽马射线辐射是一个明确指向高能宇宙线起源的证据。由于受Klein-Nishina效应的影响，高能电子的逆康普顿散射（IC）过程受到压制，10TeV以上IC过程的贡献逐渐消失，因此对100TeV以上伽马光子的探测将指向强子起源。对超高能伽马射线大尺度扩展源的多波段分析是寻找高能宇宙线加速源的有效手段。大型高海拔宇宙线观测站（LHAASO）于2021年7月完成全阵列的建设并投入运行，至今已观测到了二十几颗100TeV以上的超高能伽马射线源。本项目前期对LHAASO-KM2A，Fermi-LAT以及XMM-Newton的对扩展源的数据分析方法进行了准备工作，确定了感兴趣的源，并对其他波段探测器的观测情况进行了调研；对运行的LHAASO电磁粒子探测器的性能及其稳定性做了研究；利用LHAASO-KM2A的观测数据对明亮的超高能伽马射线扩展源LHAASO J2018+3651进行了多波段的图像和能谱分析。LHAASO J2018+3651位置上于MGRO J2019+37重合，经过对源区内候选体的属性分析认为PSR J2021+3651的脉冲星风云G75.2+0.1（又名为Dragonfly Nebula）是可能的辐射源。LHAASO观测数据的初步分析结果显示，源的位置在误差范围内不同能段没有明显的变化，能谱在100TeV以上有明显的变软，用带能量截断的幂律函数拟合得到能谱指数为-2.07±0.16，截断能量为44.27±7.61TeV。能谱辐射模型的初步分析认为，脉冲星风云中的高能电子的IC过程产生了TeV辐射。然而通过形态上的分析，X射线波段看到的PWN G75.2+0.1的辐射位置与TeV伽马辐射位置有约20‘的偏移，LHAASO并没有看到能量越高位置越向脉冲星靠近的现象，进一步的观测和强子起源辐射机制的分析显得很有必要。