D e e p o b s e r v a t i o n s o f C a s A wi - - PowerPoint PPT Presentation

SLIDE 1

D e e p

• b

s e r v a t i

• n

s

• f

C a s A wi t h MA G I C i n d i c a t e i t i s n

• P

e V a t r

• n

D . G u b e r ma n , J . C

• r

t i n a , E . d e O ñ a Wi l h e l mi , D . G a l i n d

• a

n d A . Mo r a l e j

• f
• r

t h e MA G I C c

• l

l a b

• r

a t i

• n

I n s t i t u t d e F i s i c a d ' A l t e s E n e r g i e s ( I F A E ) , T h e B a r c e l

• n

a I n s t i t u t e

• f

S c i e n c e a n d T e c h n

• l
• g

y ( B I S T ) B e l l a t e r r a ( B a r c e l

• n

a ) , S p a i n e

• ma

i l : d g u b e r ma n @ i f a e . e s

SLIDE 2

J u l y 1 3 t h 2 1 7 2 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Overview

• C
• s

mi c r a y s , S u p e r N

• v

a R e mn a n t s a n d C a s A

• MA

G I C c a mp a i g n a n d r e s u l t s

• R

e s u l t s i n t e r p r e t a t i

• n

SLIDE 3

J u l y 1 3 t h 2 1 7 3 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Supernova Remnants and cosmic rays

• G. Morlino (2016): arXiv:1611.10054
• C
• s

mi c r a y s ( C R s ) : g a l a c t i c

• r

i g i n u p t

• t

h e “ k n e e ” ( ~ 3 1

1 5

e V )

• A

c c e l e r a t i

• n

s i t e a n d me c h a n i s m s t i l l u n k n

• wn

S u p e r n

• v

a R e mn a n t s ( S N R s ) a r e t h e f a v

• r

i t e c a n d i d a t e f

• r

b e i n g t h e s e a c c e l e r a t

• r

s I n f a c t , t h e r e i s a l r e a d y e v i d e n c e

• f

a c c e l e r a t i

• n
• f

b

• t

h p a n d e i n S N R s .

B u t n

• e

v i d e n c e ( y e t )

• f

p a r t i c l e a c c e l e r a t i

• n

u p t

• 1

1 5

e V !

SLIDE 4

J u l y 1 3 t h 2 1 7 4 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Cassiopeia A (Cas A)

• B

r i g h t i n T e V a n d r e l a t i v e l y y

• u

n g ( ~ 3 y r ) . . .

• d

~ 3 . 4 k p c

• A

n g u l a r s i z e ~ 5 '

• O

b s e r v e d i n γ r a y s b y F e r mi , H E G R A , V E R I T A S a n d MA G I C

• S

e v e r a l e mi s s i

• n

r e g i

• n

s i d e n t i fj e d i n R a d i

• a

n d X

• r

a y s

• F
• r

w a r d a n d r e v e r s e s h

• c

k i d e n t i fj e d

• B

~ 3 u G ( c

• u

l d b e l

• w

e r i n s

• me

r e g i

• n

s )

• U

n u s u a l l y h i g h F I R fj e l d

C h a n d r a

We k n

• w

r e a s

• n

a b l y we l l s e v e r a l p a r a me t e r s t h a t a r e n e e d e d f

• r

r a d i a t i

• n

a n d a c c e l e r a t i

• n

mo d e l s ! → G

• d

c a n d i d a t e f

• r

a c c e l e r a t i

• n

s t u d i e s

SLIDE 5

J u l y 1 3 t h 2 1 7 5 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Cas A in γ rays

Ha d r

• n

i c

• r

l e p t

• n

i c

• r

i g i n

• f

γ

• r

a y e mi s s i

• n

? I s C a s A a P e V a t r

• n

?

• C

u r r e n t mo d e l s s u g g e s t G e V

• T

e V e mi s s i

• n

i s ma i n l y

• f

h a d r

• n

i c

• r

i g i n

( S a h a e t a l . , 2 1 5 ; , Z i r a k a s h v i l i e t a l . , 2 1 4 )

• A

l s

• s

u g g e s t i t mi g h t “

• n

l y ” b e a b l e t

• a

c c e l e r a t e p u p t

• a

f e w h u n d r e d T e V

( B e l l e t a l . , 2 1 3 )

C h a n d r a

Z i r a k a s h v i l i e t a l , A p J 7 8 5 : 1 3 ( 2 1 4 )

“ T h e a mb i g u i t y , w h i c h i s a l a r g e s t a t i s t i c a l u n c e r t a i n t i e s

• f

T e V γ

• r

a y fm u x e s , l e a v e s

• p

e n t h e q u e s t i

• n

w h e t h e r C a s A a c c e l e r a t e s p a r t i c l e s t

• P

e V e n e r g i e s ”

( A h a r

• n

i a n , F . , A s t r

• p

a r t i c l e P h y s i c s 4 3 ( 2 1 3 ) 7 1 – 8 )

O u r k n

• w

l e d g e c

• u

l d b e i mp r

• v

e d . . .

• B

y i d e n t i f y i n g t h e γ

• r

a y e mi s s i

• n

r e g i

• n
• Wi

t h mo r e a c c u r a t e s p e c t r a l me a s u r e me n t s a t T e V e n e r g i e s

SLIDE 6

J u l y 1 3 t h 2 1 7 6 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

MAGIC campaign

• We

a c c u mu l a t e d ~ 1 6 h r

• f

g

• d

q u a l i t y d a t a ( D e c 2 1 4

• O

c t 2 1 6 )

• A

l l d a t a f

• r

z e n i t h a n g l e s Z d : ~ 3

• 5

º

• ~

7 %

• f

d a t a t a k e n u n d e r mo

• n

l i g h t

( s e e d e d i c a t e d p

• s

t e r : MA G I C p e r f

• r

ma n c e u n d e r mo

• n

l i g h t , G A 1 2 , B

• a

r d 2 2 6 . F u l l a r t i c l e : a r X i v : 1 7 4 . 9 6 )

• A

l s

• a

n a l y z e d mo r e t h a n 8 y r

• f

F e r mi d a t a

MA G I C i s a s y s t e m

• f

t w

• 1

7 m d i a me t e r I A C T t e l e s c

• p

e s d e s i g n e d t

• b

s e r v e v e r y h i g h e n e r g y ( V H E , ≥ 5 G e V ) γ r a y s , l

• c

a t e d i n L a P a l ma ( S p a i n ) , a t R

• q

u e d e l

• s

Mu c h a c h

• s
• b

s e r v a t

• r

y .

SLIDE 7

J u l y 1 3 t h 2 1 7 7 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

MAGIC results

E P WL p r e f e r r e d

• v

e r P WL wi t h 4 . 6 σ s i g n i fj c a n c e ! → C u t

• fg

a t ~ 3 . 5 T e V

F i t t e d MA G I C s p e c t r u m a s s u mi n g :

• P

u r e p

• w

e r

• l

a w ( P WL )

• P
• w

e r

• l

a w w i t h e x p

• n

e n t i a l c u t

• fg

( E P WL ) Γ=(2.4±0.1stat±0.2sys) Ec=3.5(+1.6 −1.0)

stat

(+0.8 −0.9)

sys

TeV f ( E ) = N ( E / E )

− Γ

e x p ( − E / E

c

) Γ 2=(2.37±0.04) Γ 1=(0.90±0.08) F e r mi s p e c t r a l i n d e x : MA G I C fj t :

SLIDE 8

J u l y 1 3 t h 2 1 7 8 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

MAGIC results

• E

P WL → f ( E ) = N ( E / E )

− Γ

e x p ( − E / E

c

)

• N

u l l h y p

• t

h e s i s : N

• c

u t

• fg

( E

c

→ ∞ , P WL )

• A

L i k e l i h

• d

r a t i

• t

e s t b e t w e e n t h e t w

• mo

d e l s f a v

• r

t h e E P WL

• v

e r t h e P WL w i t h

4 . 6 σ s i g n i fj c a n c e

( p = 6 . 1

• 4

) ( p = . 4 2 )

N 0=(1.1±0.1stat±0.2sys)×10

−11TeV −1cm −2 s −1

Γ=(2.4±0.1stat±0.2sys) Ec=3.5(+1.6 −1.0)

stat

(+0.8 −0.9)

sys

TeV MA G I C E P WL fj t r e s u l t s :

SLIDE 9

J u l y 1 3 t h 2 1 7 9 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

SED modeling

P a r e n t p

• p

u l a t i

• n

(

• f

p r

• t
• n

s

• r

e l e c t r

• n

s ) d e s c r i b e d b y a p

• w

e r

• l

a w w i t h c u t

• fg

. P a r a me t e r s t

• p

l a y w i t h : N

• r

ma l i z a t i

• n

( N

p

) , s p e c t r a l i n d e x α a n d E

c u t

• fg

.

f ( E ) = N

p / e

( E / E )

− α

e x p ( − E / E

c u t

• f

)

P e r f

• r

me d s

• me

s i mp l e mo d e l i n g u s i n g n a i ma

1

. T e s t e d s i mp l e

• n

e

• z
• n

e p u r e h a d r

• n

i c a n d l e p t

• n

i c mo d e l s w i t h a v a i l a b l e mu l t i w a v e l e n g t h ( MWL ) d a t a .

1

“ a P y t h

• n

p a c k a g e f

• r

c

• mp

u t a t i

• n
• f

n

• n
• t

h e r ma l r a d i a t i

• n

f r

• m

r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e p

• p

u l a t i

• n

s ” ( h t t p : / / n a i ma . r e a d t h e d

• c

s . i

• /

e n / l a t e s t / # )

R a d i a t i v e mo d e l s H a d r

• n

i c mo d e l : P i

• n

D e c a y . L e p t

• n

i c mo d e l : S y n c h r

• t

r

• n

, B r e ms s t r a h l u n g , I n v e r s e C

• mp

t

• n

SLIDE 10

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

SED modelling

• A

s i n g l e p

• p

u l a t i

• n
• f

e c a n n

• t

a c c

• u

n t f

• r

t h e MWL e mi s s i

• n
• G

e V

• T

e V e mi s s i

• n

l i k e l y d

• mi

n a t e d b y p

• I

n a h y b r i d s c e n a r i

• ,

a n

• n

n e g l i g i b l e l e p t

• n

i c c

• n

t r i b u t i

• n

t

• t

h e T e V e mi s s i

• n

w

• u

l d

• n

l y b e p

• s

s i b l e i f e mi t t e d i n a r e g i

• n
• f

r a t h e r l

• w

B ( < 1 μ G l i k e i n t h e r e v e r s e s h

• c

k ) .

SLIDE 11

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 1 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

SED modelling

• I

f T e V e mi s s i

• n

c

• me

s

• n

l y f r

• m

p r

• t
• n

s . Ha d r

• n

i c fj t g i v e s :

α

~ 2 . 2

E

c u t

• fg

~ 1 T e V Wp ( E

p

> 1 T e V ) ~ 5 . 1

4 8

e r g

( ~ . 2 %

• f

t h e S N e x p l

• s

i

• n

e n e r g y )

→ C a s A i s n

• t

a P e V a t r

• n

SLIDE 12

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 2 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Summary

R e s u l t s

• F
• r

t h e fj r s t t i me w e f

• u

n d e v i d e n c e

• f

a c u t

• fg

i n C a s A a t T e V e n e r g i e s

• D

e r i v e d t h e mo s t p r e c i s e s p e c t r a l me a s u r e me n t a t T e V e n e r g i e s a v a i l a b l e Mo d e l l i n g

• C

a n n

• t

e x p l a i n t h e MWL e mi s s i

• n

w i t h a s i n g l e p

• p

u l a t i

• n
• f

e l e c t r

• n

s

• N

e i t h e r w i t h p r

• t
• n

s , a l t h

• u

g h l i k e l y t h e y a r e d

• mi

n a t i n g t h e T e V e mi s s i

• n
• E

v e n i f p r

• t
• n

s p r

• d

u c e d a l l t h e T e V e mi s s i

• n

, C a s A c a n n

• t

b e a P e V a t r

• n

a t t h e p r e s e n t t i me .

→ p r

• t
• n

s c u t

• f

e n e r g y ~ 1 T e V ( ~ 1 t i me s l

• w

e r c

• mp

a r e d t

• c

u r r e n t mo d e l s ) A l l d e t a i l s i n r e l a t e d p u b l i c a t i

• n

: a r X i v : 1 7 7 . 1 5 8 3 ( s u b mi t t e d t

• MN

R A S )

SLIDE 13

D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n 1 3 J u l y 1 3 t h 2 1 7

Backup slides

SLIDE 14

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 4 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Supernova Remnants (SNRs) and CRs

• T

h e y c a n p r

• v

i d e t h e e n e r g y n e e d e d t

• a

c c

• u

n t f

• r

t h e

• b

s e r v e d C R p r

• d

u c t i

• n

r a t e ( B a a d e a n d Z w i c k y , 1 9 3 4 ) P

C R

~ U

C R

. V

C R

. T

E S C

• 1

≈ 1

4

e r g / s

T

E S C

~ 5 My r →

C

• n

fj n e me n t t i me

V

C R

~ 4 k p c

3

→

C

• n

fj n e me n t v

• l

u me

U

C R

~ 1 e V . c m

• 3

→

L

• c

a l C R d e n s i t y

→ C R p r

• d

u c t i

• n

r a t e : P

S N R

= R

S N

. E

S N R

≈ 3 . 1

4 1

e r g / s

R

S N

~ . 3 y r

• 1

→

S N e x p l

• s

i

• n

r a t e

E

S N R

~ 1

5 1

e r g →

E n e r g y r e l e a s e d b y a S N

→ P

• we

r a v a i l a b l e f r

• m

S N R s S N R s c

• u

l d a c c

• u

n t f

• r

t h e me a s u r e d U

C R

i f ~ 1 %

• f

k i n e t i c e n e r g y

• f

t h e S N e x p l

• s

i

• n

g

• e

s i n t

• a

c c e l e r a t i n g p a r t i c l e s

SLIDE 15

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 5 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Supernova Remnants (SNRs) and CRs

• D

i fg u s i v e S h

• c

k A c c e l e r a t i

• n

( D S A ) a p p e a r s a s a p l a u s i b l e a c c e l e r a t i

• n

me c h a n i s m a n d n a t u r a l l y p r

• d

u c e s a p

• w

e r

• l

a w d i s t r i b u t i

• n
• f

a c c e l e r a t e d p a r t i c l e s .

• P

a r t i c l e s s c a t t e r w i t h ma g n e t i c t u r b u l e n c e s n e a r t h e s h

• c

k

• T

h e y a r e c

• n

fj n e d a r

• u

n d t h e s h

• c

k a n d c r

• s

s i t r e p e a t e d l y

• E

a c h t i me t h e y c r

• s

s t h e s h

• c

k a n d s u fg e r h e a d

• n

c

• l

l i s i

• n

s w i t h t h e ma g n e t i c t u r b u l e n c e s t h e y g a i n e n e r g y f r

• m

t h e b u l k mo t i

• n
• f

t h e p l a s ma

• G. Morlino (2016): arXiv:1611.10054

SLIDE 16

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 6 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

Before MAGIC observations

L a s t V E R I T A S p u b l i c s p e c t r u m ( ~ 6 h r ) P WL fj t →

SLIDE 17

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 7 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

The context

“ We fj n d t h a t h i s t

• r

i c a l S N R s u c h a s C a s A , T y c h

• a

n d K e p l e r ma y b e e x p a n d i n g t

• s

l

• w

l y t

• a

c c e l e r a t e C R t

• t

h e k n e e a t t h e p r e s e n t t i me ”

( B e l l e t a l . , MN R A S 4 3 1 ( 1 ) : 4 1 5

• 4

2 9 , 2 1 3

)

“ T h e a mb i g u i t y , w h i c h i s a l a r g e s t a t i s t i c a l u n c e r t a i n t i e s

• f

T e V γ

• r

a y fm u x e s , l e a v e s

• p

e n t h e q u e s t i

• n

w h e t h e r C a s A a c c e l e r a t e s p a r t i c l e s t

• P

e V e n e r g i e s ( …) Me a n w h i l e , w i t h

• u

t a c l e a r a n s w e r t

• t

h i s q u e s t i

• n

w e c a n n

• t

b e s u r e t h a t S N R s a r e ma j

• r

c

• n

t r i b u t

• r

s t

• t

h e g a l a c t i c c

• s

mi c r a y s . ”

( A h a r

• n

i a n , F . , A s t r

• p

a r t i c l e P h y s i c s 4 3 ( 2 1 3 ) 7 1 – 8

)

Mo r e a c c u r a t e s p e c t r

• s

c

• p

i c me a s u r e me n t s

• f

t h e g a mma

• r

a y s p e c t r u m

• f

C a s A a r e h i g h l y d e s i r a b l e ( . . . ) t h e s p e c t r a l s h a p e a t mu l t i

• T

e V e n e r g i e s w i l l p r

• v

i d e i mp

• r

t a n t i n f

• r

ma t i

• n

a b

• u

t t h e ma x i mu m e n e r g i e s

• f

a c c e l e r a t e d p a r t i c l e s .

Z i r a k a s h v i l i e t a l , A p J 7 8 5 : 1 3 ( 2 1 4 )

SLIDE 18

J u l y 1 3 t h 2 1 7 1 8 D . G u b e r ma n

• 3

5 t h I C R C , B u s a n

MAGIC results

• E

P WL → f ( E ) = N ( E / E )

− Γ

e x p ( − E / E

c

)

• N

u l l h y p

• t

h e s i s : N

• c

u t

• fg

( E

c

→ ∞ , P WL )

SLIDE 19

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Supernova Remnants (SNRs) and CRs

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