Search for New Cosmic-Ray Acceleration Sites within the 4FGL Catalog Galactic Plane Sources

S. Abdollahi; F. Acero; M. Ackermann; L. Baldini; J. Ballet; G. Barbiellini; D. Bastieri; R. Bellazzini; B. Berenji; A. Berretta; E. Bissaldi; R.D. Blandford; R. Bonino; P. Bruel; S. Buson; R.A. Cameron; R. Caputo; P.A. Caraveo; D. Castro; G. Chiaro; N. Cibrario; S. Ciprini; J. Coronado-Blázquez; M. Crnogorcevic; S. Cutini; F. d'Ammando; S. de Gaetano; N. Di Lalla; F. Dirirsa; L. Di Venere; A. Domínguez; S.J. Fegan; A. Fiori; H. Fleischhack; A. Franckowiak; Y. Fukazawa; P. Fusco; V. Gammaldi; F. Gargano; D. Gasparrini; F. Giacchino; N. Giglietto; F. Giordano; M. Giroletti; T. Glanzman; D. Green; I.A. Grenier; M.-H. Grondin; S. Guiriec; M. Gustafsson; A.K. Harding; E. Hays; J.W. Hewitt; D. Horan; X. Hou; G. Jóhannesson; T. Kayanoki; M. Kerr; M. Kuss; S. Larsson; L. Latronico; M. Lemoine-Goumard; J. Li; F. Longo; F. Loparco; P. Lubrano; S. Maldera; D. Malyshev; A. Manfreda; G. Martí-Devesa; M.N. Mazziotta; I. Mereu; P.F. Michelson; N. Mirabal; W. Mitthumsiri; T. Mizuno; M.E. Monzani; A. Morselli; I.V. Moskalenko; E. Nuss; N. Omodei; M. Orienti; E. Orlando; J.F. Ormes; D. Paneque; Z. Pei; M. Persic; M. Pesce-Rollins; R. Pillera; H. Poon; T.A. Porter; G. Principe; S. Rainò; R. Rando; B. Rani; M. Razzano; S. Razzaque; A. Reimer; O. Reimer; T. Reposeur; M. Sánchez-Conde; P.M. Parkinson Saz; L. Scotton; D. Serini; C. Sgrò; E.J. Siskind; G. Spandre; P. Spinelli; K. Sueoka; D.J. Suson; H. Tajima; D. Tak; J.B. Thayer; D.F. Torres; E. Troja; J. Valverde; Z. Wadiasingh; K. Wood; G. Zaharijas

doi:10.3847/1538-4357/ac704f

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Search for New Cosmic-Ray Acceleration Sites within the 4FGL Catalog Galactic Plane Sources

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Peer reviewed

Search for New Cosmic-Ray Acceleration Sites within the 4FGL Catalog Galactic Plane Sources

S. Abdollahi, F. Acero, M. Ackermann, L. Baldini, J. Ballet, G. Barbiellini, D. Bastieri, R. Bellazzini, B. Berenji, A. Berretta, …

The Astrophysical Journal, Vol.933(2)

2022

DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac704f

Abstract

Cosmic rays are mostly composed of protons accelerated to relativistic speeds. When those protons encounter interstellar material, they produce neutral pions, which in turn decay into gamma-rays. This offers a compelling way to identify the acceleration sites of protons. A characteristic hadronic spectrum, with a low-energy break around 200 MeV, was detected in the gamma-ray spectra of four supernova remnants (SNRs), IC 443, W44, W49B, and W51C, with the Fermi Large Area Telescope. This detection provided direct evidence that cosmic-ray protons are (re-)accelerated in SNRs. Here, we present a comprehensive search for low-energy spectral breaks among 311 4FGL catalog sources located within 5° from the Galactic plane. Using 8 yr of data from the Fermi Large Area Telescope between 50 MeV and 1 GeV, we find and present the spectral characteristics of 56 sources with a spectral break confirmed by a thorough study of systematic uncertainty. Our population of sources includes 13 SNRs for which the proton–proton interaction is enhanced by the dense target material; the high-mass gamma-ray binary LS I+61 303; the colliding wind binary η Carinae; and the Cygnus star-forming region. This analysis better constrains the origin of the gamma-ray emission and enlarges our view to potential new cosmic-ray acceleration sites.

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Title: Search for New Cosmic-Ray Acceleration Sites within the 4FGL Catalog Galactic Plane Sources
Creators - without role: S. Abdollahi - Université Toulouse III - Paul Sabatier
F. Acero - Université Paris-Saclay
M. Ackermann - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
L. Baldini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
J. Ballet - CEA Paris-Saclay
G. Barbiellini - University of Trieste
D. Bastieri - University of Padua
R. Bellazzini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
B. Berenji - California State University Los Angeles
A. Berretta - University of Perugia
E. Bissaldi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R.D. Blandford - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
R. Bonino - University of Turin
P. Bruel - École Polytechnique
S. Buson - University of Würzburg
R.A. Cameron - Stanford University
R. Caputo - Goddard Space Flight Center
P.A. Caraveo - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano
D. Castro - Goddard Space Flight Center
G. Chiaro - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano
N. Cibrario - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
S. Ciprini - Agenzia Spaziale Italiana
J. Coronado-Blázquez - Universidad Autónoma de Madrid
M. Crnogorcevic - University of Maryland, College Park
S. Cutini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
F. d'Ammando
S. de Gaetano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
N. Di Lalla - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
F. Dirirsa - Ethiopian Space Science and Technology Institute
L. Di Venere - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
A. Domínguez - Universidad Complutense de Madrid
S.J. Fegan - Laboratoire Leprince-Ringuet
A. Fiori - University of Pisa
H. Fleischhack - University of America
A. Franckowiak - Ruhr University Bochum
Y. Fukazawa - Hiroshima University
P. Fusco - Polytechnic University of Bari
V. Gammaldi - Universidad Autónoma de Madrid
F. Gargano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
D. Gasparrini - Agenzia Spaziale Italiana
F. Giacchino - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Roma Tor Vergata
N. Giglietto - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
F. Giordano - Polytechnic University of Bari
M. Giroletti - Istituto di Radioastronomia di Bologna
T. Glanzman - Stanford University
D. Green - Max Planck Institute for Physics
I.A. Grenier - CEA Paris-Saclay
M.-H. Grondin - Centre National de la Recherche Scientifique
S. Guiriec - Goddard Space Flight Center
M. Gustafsson - University of Göttingen
A.K. Harding - Los Alamos National Laboratory
E. Hays - Goddard Space Flight Center
J.W. Hewitt - University of North Florida
D. Horan - Laboratoire Leprince-Ringuet
X. Hou - Chinese Academy of Sciences
G. Jóhannesson - University of Iceland
T. Kayanoki - Hiroshima University
M. Kerr - United States Naval Research Laboratory
M. Kuss - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
S. Larsson - Dalarna University
L. Latronico - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
M. Lemoine-Goumard - Centre National de la Recherche Scientifique
J. Li - University of Science and Technology of China
F. Longo - University of Trieste
F. Loparco - Polytechnic University of Bari
P. Lubrano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
S. Maldera - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
D. Malyshev - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Manfreda - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
G. Martí-Devesa - Universität Innsbruck
M.N. Mazziotta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
I. Mereu - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
P.F. Michelson - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
N. Mirabal - Goddard Space Flight Center
W. Mitthumsiri - Mahidol University
T. Mizuno - Hiroshima University
M.E. Monzani - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
A. Morselli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Roma Tor Vergata
I.V. Moskalenko - Stanford University
E. Nuss - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
N. Omodei - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
M. Orienti - Istituto di Radioastronomia di Bologna
E. Orlando - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
J.F. Ormes - University of Denver
D. Paneque - Max Planck Institute for Physics
Z. Pei - University of Padua
M. Persic - Trieste Astronomical Observatory
M. Pesce-Rollins - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
R. Pillera - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
H. Poon - Hiroshima University
T.A. Porter - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
G. Principe - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste
S. Rainò - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R. Rando - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova
B. Rani - Korea Astronomy and Space Science Institute
M. Razzano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
S. Razzaque - University of Johannesburg
A. Reimer - SLAC National Accelerator Laboratory
O. Reimer - Universität Innsbruck
T. Reposeur - Laboratoire de Physique des deux infinis Bordeaux
M. Sánchez-Conde - Universidad Autónoma de Madrid
P.M. Parkinson Saz
L. Scotton - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
D. Serini - Polytechnic University of Bari
C. Sgrò - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
E.J. Siskind - Real Time Tomography
G. Spandre - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
P. Spinelli - Polytechnic University of Bari
K. Sueoka - Hiroshima University
D.J. Suson - Purdue University Northwest
H. Tajima - Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
D. Tak - University of Maryland, College Park
J.B. Thayer - Stanford University
D.F. Torres - Institute of Space Sciences
E. Troja - Goddard Space Flight Center
J. Valverde - University of Maryland, Baltimore County
Z. Wadiasingh - Goddard Space Flight Center
K. Wood - Praxis
G. Zaharijas - University of Nova Gorica
Publication Details: The Astrophysical Journal, Vol.933(2)
Identifiers: 9938291509311
Academic Unit: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
Language: English
Resource Type: Journal article
Local Fields: hal-03678335