Skip to main content
SpringerLink
Log in

On the surface brightness radial profile of the extended γ-ray sources

  • Article
  • Published:
Science China Physics, Mechanics & Astronomy Aims and scope Submit manuscript

Abstract

The morphology of the extended γ-ray source is governed by the propagation process of parent relativistic particles. In this paper, we investigate the surface brightness radial profile of extended γ-ray sources illuminated by cosmic ray protons and electrons, considering the radiation mechanisms, projection effects, and the response of instruments. We find that the parent particle species and the propagation process can cause considerable differences in the observed radial profiles. Thus, the surface brightness profile can be used as a unique tool to identify the radiation mechanism and the propagation process of the parent particles. In addition, we also discuss the possible implications regarding the latest discoveries from very/ultra-high energy γ-ray instruments like LHAASO and HAWC.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Similar content being viewed by others

References

  1. S. Abdollahi, et al. (The Fermi-LAT Collaboration), Astrophys. J. Suppl. Ser. 247, 33 (2020), arXiv: 1902.10045.

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. H. Abdalla, et al. (HESS Collaboration), Astron. Astrophys. 612, A1 (2018), arXiv: 1804.02432.

    Article  Google Scholar 

  3. A. Albert, et al. (HAWC Collaboration), Astrophys. J. 905, 76 (2020), arXiv: 2007.08582.

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. A. Abramowski, et al. (HESS Collaboration), Nature 531, 476 (2016), arXiv: 1603.07730.

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. F. Aharonian, R. Yang, and E. de Oña Wilhelmi, Nat. Astron. 3, 561 (2019), arXiv: 1804.02331.

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. A. U. Abeysekara, A. Albert, R. Alfaro, C. Alvarez, J. D. Álvarez, R. Arceo, J. C. Arteaga-Velázquez, D. Avila Rojas, H. A. Ayala Solares, A. S. Barber, N. Bautista-Elivar, A. Becerril, E. Belmont-Moreno, S. Y. BenZvi, D. Berley, A. Bernal, J. Braun, C. Brisbois, K. S. Caballero-Mora, T. Capistrán, A. Carramiñana, S. Casanova, M. Castillo, U. Cotti, J. Cotzomi, S. Coutiño de León, C. De León, E. De la Fuente, B. L. Dingus, M. A. DuVernois, J. C. Díaz-Vélez, R. W. Ellsworth, K. Engel, O. Enríquez-Rivera, D. W. Fiorino, N. Fraija, J. A. García-González, F. Garfias, M. Gerhardt, A. González Muñoz, M. M. González, J. A. Goodman, Z. Hampel-Arias, J. P. Harding, S. Hernández, A. Hernández-Almada, J. Hinton, B. Hona, C. M. Hui, P. Hüntemeyer, A. Iriarte, A. Jardin-Blicq, V. Joshi, S. Kaufmann, D. Kieda, A. Lara, R. J. Lauer, W. H. Lee, D. Lennarz, H. L. Vargas, J. T. Linnemann, A. L. Longinotti, G. Luis Raya, R. Luna-García, R. López-Coto, K. Malone, S. S. Marinelli, O. Martinez, I. Martinez-Castellanos, J. Martínez-Castro, H. Martínez-Huerta, J. A. Matthews, P. Miranda-Romagnoli, E. Moreno, M. Mostafá, L. Nellen, M. New-bold, M. U. Nisa, R. Noriega-Papaqui, R. Pelayo, J. Pretz, E. G. Pérez-Pérez, Z. Ren, C. D. Rho, C. Riviére, D. Rosa-González, M. Rosenberg, E. Ruiz-Velasco, H. Salazar, F. Salesa Greus, A. Sandoval, M. Schneider, H. Schoorlemmer, G. Sinnis, A. J. Smith, R. W. Springer, P. Surajbali, I. Taboada, O. Tibolla, K. Tollefson, I. Torres, T. N. Ukwatta, G. Vianello, T. Weisgarber, S. Westerhoff, I. G. Wisher, J. Wood, T. Yapici, G. Yodh, P. W. Younk, A. Zepeda, H. Zhou, F. Guo, J. Hahn, H. Li, and H. Zhang, Science 358, 911 (2017), arXiv: 1711.06223.

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. X. Bai, et al. (LHAASO), arXiv: 1905.02773.

  8. M. Actis, et al. (The CTA Consortium), Exp. Astron. 32, 193 (2011), arXiv: 1008.3703.

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. T. M. Dame, D. Hartmann, and P. Thaddeus, Astrophys. J. 547, 792 (2001), arXiv: astro-ph/0009217.

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. P. M. W. Kalberla, W. B. Burton, D. Hartmann, E. M. Arnal, E. Bajaja, R. Morras, and W. G. L. Pöppel, Astron. Astrophys. 440, 775 (2005).

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. P. A. R. Ade, et al. (Planck Collaboration), Astron. Astrophys. 536, A19 (2011), arXiv: 1101.2029.

    Article  Google Scholar 

  12. T. A. Porter, G. Jóhannesson, and I. V. Moskalenko, Astrophys. J. 887, 250 (2019), arXiv: 1909.02223.

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. C. C. Popescu, R. Yang, R. J. Tuffs, G. Natale, M. Rushton, and F. Aharonian, Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 2539 (2017), arXiv: 1705.06652.

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. M. Ackermann, M. Ajello, A. Allafort, L. Baldini, J. Ballet, G. Barbiellini, D. Bastieri, A. Belfiore, R. Bellazzini, B. Berenji, R. D. Blandford, E. D. Bloom, E. Bonamente, A. W. Borgland, E. Bottacini, M. Brigida, P. Bruel, R. Buehler, S. Buson, G. A. Caliandro, R. A. Cameron, P. A. Caraveo, J. M. Casandjian, C. Cecchi, A. Chekhtman, C. C. Cheung, J. Chiang, S. Ciprini, R. Claus, J. Cohen-Tanugi, A. de Angelis, F. de Palma, C. D. Dermer, E. do Couto e Silva, P. S. Drell, D. Dumora, C. Favuzzi, S. J. Fegan, W. B. Focke, P. Fortin, Y. Fukazawa, P. Fusco, F. Gargano, S. Germani, N. Giglietto, F. Giordano, M. Giroletti, T. Glanzman, G. Godfrey, I. A. Grenier, L. Guillemot, S. Guiriec, D. Hadasch, Y. Hanabata, A. K. Harding, M. Hayashida, K. Hayashi, E. Hays, G. Jóhannesson, A. S. Johnson, T. Kamae, H. Katagiri, J. Kataoka, M. Kerr, J. Knödlseder, M. Kuss, J. Lande, L. Latronico, S. H. Lee, F. Longo, F. Loparco, B. Lott, M. N. Lovellette, P. Lubrano, P. Martin, M. N. Mazziotta, J. E. McEnery, J. Mehault, P. F. Michelson, W. Mitthumsiri, T. Mizuno, C. Monte, M. E. Monzani, A. Morselli, I. V. Moskalenko, S. Murgia, M. Naumann-Godo, P. L. Nolan, J. P. Norris, E. Nuss, T. Ohsugi, A. Okumura, E. Orlando, J. F. Ormes, M. Ozaki, D. Paneque, D. Parent, M. Pesce-Rollins, M. Pierbattista, F. Piron, M. Pohl, D. Prokhorov, S. Rainó, R. Rando, M. Razzano, T. Reposeur, S. Ritz, P. M. S. Parkinson, C. Sgró, E. J. Siskind, P. D. Smith, P. Spinelli, A. W. Strong, H. Takahashi, T. Tanaka, J. G. Thayer, J. B. Thayer, D. J. Thompson, L. Tibaldo, D. F. Torres, G. Tosti, A. Tramacere, E. Troja, Y. Uchiyama, J. Vandenbroucke, V. Vasileiou, G. Vianello, V. Vitale, A. P. Waite, P. Wang, B. L. Winer, K. S. Wood, Z. Yang, S. Zimmer, and S. Bontemps, Science 334, 1103 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. A. M. Atoyan, F. A. Aharonian, and H. J. Völk, Phys. Rev. D 52, 3265 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. A. M. Atoyan, R. J. Tuffs, F. A. Aharonian, and H. J. Völk, Astron. Astrophys. 354, 915 (2000).

    ADS  Google Scholar 

  17. A. W. Strong, I. V. Moskalenko, and V. S. Ptuskin, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 57, 285 (2007), arXiv: astro-ph/0701517.

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. R. Y. Liu, H. Yan, and H. Zhang, Phys. Rev. Lett. 123, 221103 (2019a), arXiv: 1904.11536.

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. F. A. Aharonian, and A. M. Atoyan, Astron. Astrophys. 309, 917 (1996).

    ADS  Google Scholar 

  20. C. Bacci, et al. (ARGO-YBJ Collaboration), Astropart. Phys. 17, 151 (2002).

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. A. U. Abeysekara, R. Alfaro, C. Alvarez, J. D. Álvarez, R. Arceo, J. C. Arteaga-Velázquez, H. A. Ayala Solares, A. S. Barber, B. M. Baughman, N. Bautista-Elivar, E. Belmont, S. Y. BenZvi, D. Berley, M. Bonilla Rosales, J. Braun, R. A. Caballero-Lopez, A. Carramiñana, M. Castillo, U. Cotti, J. Cotzomi, E. de la Fuente, C. De León, T. DeYoung, R. Diaz Hernandez, J. C. Diaz-Velez, B. L. Dingus, M. A. DuVernois, R. W. Ellsworth, A. Fernandez, D. W. Fiorino, N. Fraija, A. Galindo, J. L. Garcia-Luna, G. Garcia-Torales, F. Garfias, L. X. González, M. M. González, J. A. Goodman, V. Grabski, M. Gussert, Z. Hampel-Arias, C. M. Hui, P. Hüntemeyer, A. Imran, A. Iriarte, P. Karn, D. Kieda, G. J. Kunde, A. Lara, R. J. Lauer, W. H. Lee, D. Lennarz, H. León Vargas, E. C. Linares, J. T. Linnemann, M. Longo, R. Luna-García, A. Marinelli, O. Martinez, J. Martínez-Castro, J. A. J. Matthews, P. Miranda-Romagnoli, E. Moreno, M. Mostafá, J. Nava, L. Nellen, M. Newbold, R. Noriega-Papaqui, T. Oceguera-Becerra, B. Patricelli, R. Pelayo, E. G. Pérez-Pérez, J. Pretz, C. Riviére, J. Ryan, D. Rosa-González, H. Salazar, F. Salesa, A. Sandoval, E. Santos, M. Schneider, S. Silich, G. Sinnis, A. J. Smith, K. Sparks, R. W. Springer, I. Taboada, P. A. Toale, K. Tollefson, I. Torres, T. N. Ukwatta, L. Villaseñor, T. Weisgarber, S. Westerhoff, I. G. Wisher, J. Wood, G. B. Yodh, P. W. Younk, D. Zaborov, A. Zepeda, and H. Zhou, Astropart. Phys. 50–52, 26 (2013), arXiv: 1306.5800.

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. G. Di Sciascio, Nucl. Particle Phys. Proc. 279–281, 166 (2016), arXiv: 1602.07600.

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. J. A. Hinton, New Astron. Rev. 48, 331 (2004), arXiv: astroph/0403052.

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. T. C. Weekes, H. Badran, S. D. Biller, I. Bond, S. Bradbury, J. Buckley, D. Carter-Lewis, M. Catanese, S. Criswell, W. Cui, P. Dowkontt, C. Duke, D. J. Fegan, J. Finley, L. Fortson, J. Gaidos, G. H. Gillanders, J. Grindlay, T. A. Hall, K. Harris, A. M. Hillas, P. Kaaret, M. Kertzman, D. Kieda, F. Krennrich, M. J. Lang, S. LeBohec, R. Lessard, J. Lloyd-Evans, J. Knapp, B. McKernan, J. McEnery, P. Moriarty, D. Muller, P. Ogden, R. Ong, D. Petry, J. Quinn, N. W. Reay, P. T. Reynolds, J. Rose, M. Salamon, G. Sembroski, R. Sidwell, P. Slane, N. Stanton, S. P. Swordy, V. V. Vassiliev, and S. P. Wakely, Astropart. Phys. 17, 221 (2002).

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. E. Lorenz, and the MAGIC Collaboration, New Astron. Rev. 48, 339 (2004).

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. The Cherenkov Telescope Array Consortium, Science with the Cherenkov Telescope Array (World Scientific, New Jersey, 2019).

  27. H. He, Radiat. Detect. Technol. Methods 2, 7 (2018).

    Article  Google Scholar 

  28. A. Y. Prosekin, S. R. Kelner, and F. A. Aharonian, Phys. Rev. D 92, 083003 (2015), arXiv: 1506.06594.

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. S. Recchia, M. Di Mauro, F. A. Aharonian, F. Donato, S. Gabici, and S. Manconi, arXiv: 2106.02275.

  30. M. Amenomori, Y. W. Bao, X. J. Bi, D. Chen, T. L. Chen, W. Y. Chen, X. Chen, Y. Chen, Y. Cirennima, S. W. Cui, S. W. Danzengluobu, L. K. Ding, J. H. Fang, K. Fang, C. F. Feng, Z. Feng, Z. Y. Feng, Q. Gao, Q. B. Gou, Y. Q. Guo, Y. Y. Guo, H. H. He, Z. T. He, K. Hibino, N. Hotta, H. Hu, H. B. Hu, J. Huang, H. Y. Jia, L. Jiang, H. B. Jin, K. Kasahara, Y. Katayose, C. Kato, S. Kato, K. Kawata, W. Kihara, Y. Ko, M. Kozai, M. Labaciren, G. M. Le, A. F. Li, H. J. Li, W. J. Li, Y. H. Lin, B. Liu, C. Liu, J. S. Liu, M. Y. Liu, W. Liu, Y. Q. Lou, H. Lu, X. R. Meng, K. Munakata, H. Nakada, Y. Nakamura, H. Nanjo, M. Nishizawa, M. Ohnishi, T. Ohura, S. Ozawa, X. L. Qian, X. B. Qu, T. Saito, M. Sakata, T. K. Sako, J. Shao, M. Shibata, A. Shiomi, H. Sugimoto, W. Takano, M. Takita, Y. H. Tan, N. Tateyama, S. Torii, H. Tsuchiya, S. Udo, H. Wang, H. R. Wu, L. Xue, Y. Yamamoto, Z. Yang, Y. Yokoe, A. F. Yuan, L. M. Zhai, H. M. Zhang, J. L. Zhang, X. Zhang, X. Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, S. P. Zhao, S. P. Zhaxisangzhu, and X. X. Zhou, Phys. Rev. Lett. 126, 141101 (2021), arXiv: 2104.05181.

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. Z. Cao, F. A. Aharonian, Q. An, Q. Axikegu, L. X. Bai, Y. X. Bai, Y. W. Bao, D. Bastieri, X. J. Bi, Y. J. Bi, H. Cai, J. T. Cai, Z. Cao, J. Chang, J. F. Chang, X. C. Chang, B. M. Chen, J. Chen, L. Chen, L. Chen, L. Chen, M. J. Chen, M. L. Chen, Q. H. Chen, S. H. Chen, S. Z. Chen, T. L. Chen, X. L. Chen, Y. Chen, N. Cheng, Y. D. Cheng, S. W. Cui, X. H. Cui, Y. D. Cui, B. Z. Dai, H. L. Dai, Z. G. Dai, Z. G. Danzengluobu, D. della Volpe, B. DEttorre Piazzoli, X. J. Dong, J. H. Fan, Y. Z. Fan, Z. X. Fan, J. Fang, K. Fang, C. F. Feng, L. Feng, S. H. Feng, Y. L. Feng, B. Gao, C. D. Gao, Q. Gao, W. Gao, M. M. Ge, L. S. Geng, G. H. Gong, Q. B. Gou, M. H. Gu, J. G. Guo, X. L. Guo, Y. Q. Guo, Y. Y. Guo, Y. A. Han, H. H. He, H. N. He, J. C. He, S. L. He, X. B. He, Y. He, M. Heller, Y. K. Hor, C. Hou, X. Hou, H. B. Hu, S. Hu, S. C. Hu, X. J. Hu, D. H. Huang, Q. L. Huang, W. H. Huang, X. T. Huang, Z. C. Huang, F. Ji, X. L. Ji, H. Y. Jia, K. Jiang, Z. J. Jiang, C. Jin, D. Kuleshov, K. Levochkin, B. B. Li, C. Li, C. Li, F. Li, H. B. Li, H. C. Li, H. Y. Li, J. Li, K. Li, W. L. Li, X. Li, X. Li, X. R. Li, Y. Li, Y. Z. Li, Z. Li, Z. Li, E. W. Liang, Y. F. Liang, S. J. Lin, B. Liu, C. Liu, D. Liu, H. Liu, H. D. Liu, J. Liu, J. L. Liu, J. S. Liu, J. Y. Liu, M. Y. Liu, R. Y. Liu, S. M. Liu, W. Liu, Y. N. Liu, Z. X. Liu, W. J. Long, R. Lu, H. K. Lv, B. Q. Ma, L. L. Ma, X. H. Ma, J. R. Mao, A. Masood, W. Mitthumsiri, T. Montaruli, Y. C. Nan, B. Y. Pang, P. Pattarakijwanich, Z. Y. Pei, M. Y. Qi, D. Ruffolo, V. Rulev, A. Sáiz, L. Shao, O. Shchegolev, X. D. Sheng, J. R. Shi, H. C. Song, Y. V. Stenkin, V. Stepanov, Q. N. Sun, X. N. Sun, Z. B. Sun, P. H. T. Tam, Z. B. Tang, W. W. Tian, B. D. Wang, C. Wang, H. Wang, H. G. Wang, J. C. Wang, J. S. Wang, L. P. Wang, L. Y. Wang, R. N. Wang, W. Wang, W. Wang, X. G. Wang, X. J. Wang, X. Y. Wang, Y. D. Wang, Y. J. Wang, Y. P. Wang, Z. Wang, Z. Wang, Z. H. Wang, Z. X. Wang, D. M. Wei, J. J. Wei, Y. J. Wei, T. Wen, C. Y. Wu, H. R. Wu, S. Wu, W. X. Wu, X. F. Wu, S. Q. Xi, J. Xia, J. J. Xia, G. M. Xiang, G. Xiao, H. B. Xiao, G. G. Xin, Y. L. Xin, Y. Xing, D. L. Xu, R. X. Xu, L. Xue, D. H. Yan, C. W. Yang, F. F. Yang, J. Y. Yang, L. L. Yang, M. J. Yang, R. Z. Yang, S. B. Yang, Y. H. Yao, Z. G. Yao, Y. M. Ye, L. Q. Yin, N. Yin, X. H. You, Z. Y. You, Y. H. Yu, Q. Yuan, H. D. Zeng, T. X. Zeng, W. Zeng, Z. K. Zeng, M. Zha, X. X. Zhai, B. B. Zhang, H. M. Zhang, H. Y. Zhang, J. L. Zhang, J. W. Zhang, L. Zhang, L. Zhang, L. X. Zhang, P. F. Zhang, P. P. Zhang, R. Zhang, S. R. Zhang, S. S. Zhang, X. Zhang, X. P. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. F. Zhang, Y. L. Zhang, B. Zhao, J. Zhao, L. Zhao, L. Z. Zhao, S. P. Zhao, F. Zheng, Y. Zheng, B. Zhou, H. Zhou, J. N. Zhou, P. Zhou, R. Zhou, X. X. Zhou, C. G. Zhu, F. R. Zhu, H. Zhu, K. J. Zhu, and X. Zuo, Nature 594, 33 (2021).

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. R. Y. Liu, C. Ge, X. N. Sun, and X. Y. Wang, Astrophys. J. 875, 149 (2019b), arXiv: 1904.11438.

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. L.-Z. Bao, K. Fang, and X.-J. Bi, arXiv: 2107.07395.

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Astronomy, School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

    Rui-Zhi Yang & Bing Liu

  2. CAS Key Labrotory for Research in Galaxies and Cosmology, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

    Rui-Zhi Yang & Bing Liu

  3. School of Astronomy and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

    Rui-Zhi Yang & Bing Liu

  4. Key Laboratory of Modern Astronomy and Astrophysics (Nanjing University), Ministry of Education, Nanjing, 210093, China

    Bing Liu

Authors
  1. Rui-Zhi Yang
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Bing Liu
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Bing Liu.

Additional information

Rui-Zhi Yang is supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11421303, and 12041305), and the National Youth Thousand Talents Program in China. Bing Liu is supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Yang, RZ., Liu, B. On the surface brightness radial profile of the extended γ-ray sources. Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 219511 (2022). https://doi.org/10.1007/s11433-021-1777-4

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-021-1777-4

Search

Navigation