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Constraints on the multi-TeV particle population in the Coma Galaxy Cluster with H.E.S.S. observations

Authors :
Aharonian, F.
Akhperjanian, A. G.
Anton, G.
Barres de Almeida, U.
Bazer-Bachi, A. R.
Becherini, Y.
Behera, B.
Bernlöhr, K.
Boisson, C.
Bochow, A.
Borrel, V.
Brion, E.
Brucker, J.
Brun, P.
Bühler, R.
Bulik, T.
Büsching, I.
Boutelier, T.
Chadwick, P. M.
Charbonnier, A.
Chaves, R. C. G.
Cheesebrough, A.
Chounet, L.-M.
Clapson, A. C.
Coignet, G.
Dalton, M.
Daniel, M. K.
Davids, I. D.
Degrange, B.
Deil, C.
Dickinson, H. J.
Djannati-Ataï, A.
Domainko, W.
O'C. Drury, L.
Dubois, F.
Dubus, G.
Dyks, J.
Dyrda, M.
Egberts, K.
Emmanoulopoulos, D.
Espigat, P.
Farnier, C.
Feinstein, F.
Fiasson, A.
Förster, A.
Fontaine, G.
Füßling, M.
Gabici, S.
Gallant, Y. A.
Gérard, L.
Giebels, B.
Glicenstein, J. F.
Glück, B.
Goret, P.
Göhring, D.
Hauser, D.
Hauser, M.
Heinz, S.
Heinzelmann, G.
Henri, G.
Hermann, G.
Hinton, J. A.
Hoffmann, A.
Hofmann, W.
Holleran, M.
Hoppe, S.
Horns, D.
Inoue, S.
Jacholkowska, A.
de Jager, O. C.
Jahn, C.
Jung, I.
Katarzyński, K.
Katz, U.
Kaufmann, S.
Kendziorra, E.
Kerschhaggl, M.
Khangulyan, D.
Khélifi, B.
Keogh, D.
Kluźniak, W.
Kneiske, T.
Komin, Nu.
Kosack, K.
Lamanna, G.
Lenain, J.-P.
Lohse, T.
Marandon, V.
Martin, J. M.
Martineau-Huynh, O.
Marcowith, A.
Maurin, D.
McComb, T. J. L.
Medina, M. C.
Moderski, R.
Moulin, E.
Naumann-Godo, M.
de Naurois, M.
Nedbal, D.
Nekrassov, D.
Niemiec, J.
Nolan, S. J.
Ohm, S.
Olive, J.-F.
de Oña Wilhelmi, E.
Orford, K. J.
Ostrowski, Michał
Panter, M.
Paz Arribas, M.
Pedaletti, G.
Pelletier, G.
Petrucci, P.-O.
Pita, S.
Pühlhofer, G.
Punch, M.
Quirrenbach, A.
Raubenheimer, B. C.
Raue, M.
Rayner, S. M.
Renaud, M.
Reimer, O.
Rieger, F.
Ripken, J.
Rob, L.
Rosier-Lees, S.
Rowell, G.
Rudak, B.
Rulten, C. B.
Ruppel, J.
Sahakian, V.
Santangelo, A.
Schlickeiser, R.
Schöck, F. M.
Schröder, R.
Schwanke, U.
Schwarzburg, S.
Schwemmer, S.
Shalchi, A.
Sikora, M.
Skilton, J. L.
Sol, H.
Spanglfoer, D.
Stawarz, Łukasz
Steenkamp, R.
Stegmann, C.
Superina, G.
Szostek, Anna
Tam, P. H.
Tavernet, J.-P.
Terrier, R.
Tibolla, O.
Tluczykont, M.
van Eldik, C.
Vasileiadis, G.
Venter, C.
Venter, L.
Vialle, J. P.
Vincent, P.
Vivier, M.
Völk, H. J.
Volpe, F.
Wagner, S. J.
Ward, M.
Zdziarski, A. A.
Zech, A.
Centre d'étude spatiale des rayonnements (CESR)
Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164))
Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)
Laboratoire Univers et Théories (LUTH (UMR_8102))
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)
Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies (LPNHE)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)
Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules (LAPP)
Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
APC - Astrophysique des Hautes Energies (APC - AHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Dipartimento di Astronomia, Universita degli Studi di Bologna
Alma Mater Studiorum Università di Bologna [Bologna] (UNIBO)-Alma Mater Studiorum Università di Bologna [Bologna] (UNIBO)
Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules (LPTA)
Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
HESS
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Observatoire de Paris
PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)
PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules (LAPP/Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)
Dipartimento di Astronomia, Universita degli Studi di Bologna
Università di Bologna [Bologna] (UNIBO)-Università di Bologna [Bologna] (UNIBO)-AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164))
PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Observatoire de Paris
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Alma Mater Studiorum Università di Bologna [Bologna] (UNIBO)
Source :
Astronomy and Astrophysics-A&A, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2009, 502, pp.437-443. ⟨10.1051/0004-6361/200912086⟩, Astronomy and Astrophysics-A&A, 2009, 502, pp.437-443. ⟨10.1051/0004-6361/200912086⟩
Publication Year :
2009
Publisher :
arXiv, 2009.

Abstract

The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) telescopes observed Coma for ~8hr in a search for gamma-ray emission at energies >1TeV. The large 3.5deg FWHM field of view of H.E.S.S. is ideal for viewing a range of targets at various sizes including the Coma cluster core, the radio-relic (1253+275) and merger/infall (NGC 4839) regions to the southwest, and features greater than deg away. No evidence for point-like nor extended TeV gamma-ray emission was found and upper limits to the TeV flux F(E) for E>1, >5, and >10TeV were set for the Coma core and other regions. Converting these limits to an energy flux E^2F(E) the lowest or most constraining is the E>5TeV upper limit for the Coma core (0.2deg radius) at ~8Crab flux units or ~10^{-13}ph cm^{-2} s^{-1}. The upper limits for the Coma core were compared with a prediction for the gamma-ray emission from proton--proton interactions, the level of which ultimately scales with the mass of the Coma cluster. A direct constraint using our most stringent limit for E>5 TeV, on the total energy content in non-thermal protons with injection energy spectrum proportional to E^{-2.1} and spatial distribution following the thermal gas in the cluster, is found to be ~0.2 times the thermal energy, or ~10^{62}erg. The E>5 TeV gamma-ray threshold in this case corresponds to cosmic-ray proton energies >50TeV. Our upper limits rule out the most optimistic theoretical models for gamma ray emission from clusters and complement radio observations which constrain the cosmic ray content in clusters at significantly lower proton energies, subject to assumptions on the magnetic field strength.<br />7 pages, 3 figures, accepted in Astronomy and Astrophysics

Details

ISSN :
00046361
Database :
OpenAIRE
Journal :
Astronomy and Astrophysics-A&A, Astronomy and Astrophysics-A&A, EDP Sciences, 2009, 502, pp.437-443. ⟨10.1051/0004-6361/200912086⟩, Astronomy and Astrophysics-A&A, 2009, 502, pp.437-443. ⟨10.1051/0004-6361/200912086⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....934d790663496ed9b3529d8a91bca4fd
Full Text :
https://doi.org/10.48550/arxiv.0907.0727