Fermi-LAT Analysis of Candidate Supernova Remnant PeVatrons Associated with Molecular Clouds and LHAASO sources

Abstract

Certain astrophysical sources, known as PeVatrons, are capable of accelerating cosmic rays (CRs) to PeV energies, with supernova remnants (SNRs) being prominent candidates in our Galaxy. In this study, we analyze Fermi-LAT data of four SNRs — G17.0-0.0, G27.8+0.6, G28.6-0.1, and G31.9+0.0 — located near molecular clouds (MCs) and LHAASO sources as potential PeVatrons, and we measure their gamma-ray extension. To characterize the gamma-ray emission of these SNR candidates, we employ a comprehensive four-step analysis process: SNR candidate selection, data reduction, binned likelihood analysis, and extension analysis. Our analysis resulted in the detection of all four SNR candidates, G17.0-0.0, G27.8+0.6, G28.6-0.1, and G31.9+0.0, at a significance level of ∼11σ, ∼30σ, ∼31σ, and ∼8σ, respectively, by assuming these sources as point-like sources. The extension measurements of these SNR candidates revealed that the first two are extended sources, while the last two are consistent with point-like sources. All four sources exhibit spatial overlap with LHAASO positional error circles and molecular cloud emission regions, suggesting that the GeV gamma-ray emission is spatially associated with the ultra-high-energy emission detected by LHAASO. Further analysis and modeling regarding the spectra of these SNR candidates will provide more information about the leptonic or hadronic nature of the GeV and TeV gamma-ray emission from these sources.

Keywords

• gamma-rays: ISM
• gamma-rays: general
• ISM: supernova remnants

LHAASO Kaynaklarıyla Örtüşen Dört Süpernova Kalıntısının (G17.0-0.0, G27.8+0.6, G28.6-0.1 ve G31.9+0.0) Fermi-LAT Uzamsal Analizi

Öz

PeVatronlar, kozmik ışınları (KI) PeV enerjilerine kadar ivmelendirebilen astrofiziksel kaynaklardır ve süpernova kalıntıları (SNK), Galaksi’deki başlıca PeVatron adaylarıdır. Bu çalışmada, Fermi-LAT verilerini kullanarak G17.0-0.0, G27.8+0.6, G28.6-0.1 ve G31.9+0.0 olmak üzere dört SNK’yi analiz ediyoruz. Bu SNK’ler, moleküler bulutlar (MB) ve LHAASO kaynaklarının yakınında bulunmaktadır, bu nedenle PeVatron olma potansiyellerini araştırıyor ve gama ışını genişlemelerini ölçüyoruz. Çalışmamız dört aşamalı bir analiz sürecini takip etmektedir: SNK adaylarının seçimi, veri işleme, uzamsal analiz ve genişlik analizi. Analizimiz sonucunda, dört SNK’nin tamamını yüksek anlamlılık seviyelerinde tespit ettik: G17.0-0.0 için ~11σ, G27.8+0.6 için ~30σ, G28.6-0.1 için ~31σ ve G31.9+0.0 için ~8σ. Genişlik analizimiz, ilk iki SNK’nin uzamsal olarak genişlemiş yapılar sergilediğini, diğer iki SNK’nin ise noktasal kaynaklarla tutarlı olduğunu ortaya koymuştur. Tüm kaynakların LHAASO konumsal hata daireleri ve MB bölgeleriyle çakıştığını belirledik. Bu durum, GeV gama ışını yayılımının, LHAASO tarafından gözlemlenen ultra yüksek enerjili gama ışını yayılımı ile uzamsal olarak ilişkili olduğunu göstermektedir. Son olarak, bu SNK’lerin PeVatron olup olmadığını kesinleştirmek için spektral analizler ve modellemeler gerekmektedir. GeV ve TeV gama ışını yayılımının leptonik mi yoksa hadronik mi olduğu sorusuna daha ayrıntılı çalışmalarla yanıt aranacaktır.

Anahtar Kelimeler

• gamma-rays: ISM
• gamma-rays: general
• ISM: supernova remnants

References

1. Abdalla H., ve diğ., 2019, Astronomy & Astrophysics, 621, A116
2. Akaike H., 1998, in , Selected papers of hirotugu akaike. Springer, pp 199–213
3. Amenomori M., ve diğ., 2022, The Astrophysical Journal, 932, 120
4. Angüner E. O., 2023, Turkish Journal of Physics, 47, 40
5. Atwood W., ve diğ., 2009, The Astrophysical Journal, 697, 1071
6. Baring M. G., Ellison D. C., Reynolds S. P., Grenier I. A., Goret P., 1999, The Astrophysical Journal, 513, 311
7. Cao Z., Aharonian F. A., An Q., Axikegu Bai L. X., Bai Y. X., ve diğ., 2021, Nature, 594, 33
8. Cao Z., ve diğ., 2023, Phys. Rev. Lett., 131, 151001

9. Casanova S., 2022, Universe, 8, 505
10. Corso N. J., Diesing R., Caprioli D., 2023, The Astrophysical Journal, 954, 1
11. Ergin T., Sezer A., Saha L., Majumdar P., Chatterjee A., Bayirli A., Ercan E. N., 2014, The Astrophysical Journal, 790, 65
12. Green D., 2019, VizieR Online Data Catalog, 7284, VII
13. Hughes J. P., Rakowski C. E., Decourchelle A., 2000, The Astrophysical Journal, 543, L61
14. Meng Q., 2022, in ITM Web of Conferences. p. 01052
15. Mitchell A., Rowell G., Celli S., Einecke S., 2021, arXiv preprint arXiv:2108.02026
16. Mitchell A., Rowell G., Celli S., Einecke S., 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 520, 300
17. Vink J., 2020, Physics and evolution of supernova remnants. Springer
18. Wach T., Mitchell A., Joshi V., Funk S., 2023, arXiv preprintarXiv:2308.16717 Warren J. S., ve diğ., 2005, The Astrophysical Journal, 634, 376