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Pivato, Giovanna (2014) Supernova remnants observed by the Fermi Large Area Telescope: the case of HB 21. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Since their discovery, Cosmic Rays (CRs) are one of the most studied phenomena in the Universe.
The origin of the spectrum, which extends for more than 12 orders of magnitude, is still debated.
Up to ~10^15 eV, cosmic rays are accelerated in the Galaxy, and Supernova remnants (SNRs) are the most likely candidates to accelerate them.
If an expanding SNR interacts with molecular clouds, particles accelerated in the expanding shock can produce high-energy photons, the observation of which can provide valuable information about the accelerated particles population.
Of particular interest are combined gamma-ray and radio observations: accelerated particles emit radio waves via synchrotron emission and gamma rays via bremsstrahlung, inverse Compton and nucleon-nucleon interaction.

Thanks to its unprecedent angular resolution and sensitivity, the Fermi Gamma-ray Space Telescope is the gamma-ray detector ideal for the study of extended structures in the Galaxy.

We present the analysis of Fermi Large Area Telescope gamma-ray observations of HB 21 (G89.0+4.7).
We detected significant gamma-ray emission associated with the remnant: the flux above 100 MeV is 9.4± 0.8(stat)±1.6(syst)x10¹¹ erg cm² s-¹.
HB 21 is well modeled by a uniform disk centered at l=88°.75±0°.04, b=+4°.65±0°.06 with a radius of 1°.19±0°.06.

The gamma-ray spectrum shows clear evidence of curvature, suggesting a cutoff or break in the underlying particle population at an energy of a few GeV.

We complement gamma-ray observations with the analysis of the WMAP 7 yr data from 23 to 93 GHz, achieving the first detection of HB 21 at these frequencies.
In combination with archival radio data, the radio spectrum shows a spectral break, which helps to constrain the relativistic electron spectrum, hence parameters of simple non-thermal radiation models.

In one-zone models multi-wavelength data favor the origin of gamma rays from nucleon-nucleon collisions.
A single population of electrons cannot produce both gamma rays through bremsstrahlung and radio emission through synchrotron radiation.
A predominantly inverse-Compton origin of the gamma-ray emission is disfavored because it requires lower interstellar densities than the ones inferred for HB 21.

In the hadronic-dominated scenarios, accelerated nuclei contribute a total energy of ~3x10⁴⁹ erg, while, in a two-zone bremsstrahlung-dominated scenario, the total energy in accelerated particles is ~1x10⁴⁹ erg.

Abstract (italian)

Fin dalla loro scoperta, i raggi cosmici sono uno dei fenomeni più studiati nell'Universo.
L'origine del loro spettro, che si estende per più di 12 ordini di grandezza, è ancora incerta e dibattuta.
Fino ad energie dell'ordine di ~10^15 eV, si ipotizza che i raggi cosmici siano accelerati all'interno della Galassia, e che i resti di supernova siano i principali acceleratori.
Espandendosi, un resto di supernova può interagire con le nubi molecolari presenti nel mezzo circostante, in questo caso le particelle accelerate possono produrre fotoni di alta energia la cui osservazione può fornire informazioni sulla popolazione dei raggi cosmici.
Di particolare interesse sono le osservazioni combinate nella bade gamma e radio: le particelle accelerate emettono nel radio tramite radiazione di sincrotrone, e nel gamma tramite Bremsstrahlung, effetto Compton inverso e interazione inelastica nucleone-nucleone.

Grazie alla sua ottima risoluzione angolare e precisione spaziale, il Telescopio Spaziale Fermi è il rivelatore di raggi gamma ideale per lo studio di sorgenti estese.

La tesi presenta l'analisi effettuata con dati Fermi della sorgente estesa HB 21 (G89.0+4.7).
Riveliamo significativa emissione gamma associata al resto di supernova: il flusso sopra 100 MeV è di 9.4± 0.8(stat)±1.6(syst)x10¹¹ erg cm² s-¹.
Dal punto di vista morfologico, l'emissione è ben modellata da un disco uniforme, centrato alle coordinate Galattiche l=88°.75±0°.04, b=+4°.65±0°.06 di raggio 1°.19±0°.06.

Lo spettro gamma mostra un'evidente curvatura che suggerisce un taglio o un'interruzione dello spettro nella popolazione di particelle che generano lo spettro gamma, ad energie di qualche GeV.

Insieme ai dati gamma , sono stati inclusi anche dati provenienti dal radio usando 7 anni di dati raccolti dall'esperimento WMAP da 23 a 93 GHz, che hanno portato alla prima osservazione di HB 21 a queste frequenze.
Unendo tali dati ai quelli di archivio, si è potuto osservare come lo spettro radio presenti un'interruzione.
Tale caratteristica aiuta a determinare lo spettro degli elettroni relativistici e, quindi, anche i parametri dei modelli di radiazione non termica.

Nei modelli di singola zona, i dati su più lunghezze d'onda favoriscono un'origine dei raggi gamma da collisioni nucleone-nucleone.
Una singola popolazione di elettroni non può spiegare contemporaneamente sia l'emissione di Bremsstrahlung nel gamma che quella di sincrotrone nel radio.
L'effetto Compton inverso, invece, non può riprodurre bene lo spettro gamma perché richiederebbe basse densità del mezzo interstellare, molto più basse di quelle calcolate intorno a HB 21.

Quindi, nello scenario adronico, i nuclei accelerati forniscono un'energia di ~3x10⁴⁹ erg, mentre in uno scenario in cui le zone di emissione di radio e gamma siano diverse e l'emissione gamma è dominata dal Bremsstrahlung, l'energia totale in particelle accelerate è di ~1x10⁴⁹ erg.

Statistiche Download
EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Bastieri, Denis
Supervisor:Tibaldo, Luigi
Ph.D. course:Ciclo 26 > Scuole 26 > FISICA
Data di deposito della tesi:29 January 2014
Anno di Pubblicazione:2014
Key Words:cosmic rays -- acceleration of particles -- ISM: individual (HB~21) -- radiation mechanisms: non-thermal
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:6525
Depositato il:24 Apr 2015 17:45
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