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Title:
The Crab Nebula and Pulsar between 500 GeV and 80 TeV: Observations with the HEGRA Stereoscopic Air Cerenkov Telescopes
Authors:
Aharonian, F.; Akhperjanian, A.; Beilicke, M.; Bernlöhr, K.; Börst, H.-G.; Bojahr, H.; Bolz, O.; Coarasa, T.; Contreras, J. L.; Cortina, J.; Denninghoff, S.; Fonseca, M. V.; Girma, M.; Götting, N.; Heinzelmann, G.; Hermann, G.; Heusler, A.; Hofmann, W.; Horns, D.; Jung, I.; Kankanyan, R.; Kestel, M.; Kohnle, A.; Konopelko, A.; Kranich, D.; Lampeitl, H.; Lopez, M.; Lorenz, E.; Lucarelli, F.; Mang, O.; Mazin, D.; Meyer, H.; Mirzoyan, R.; Moralejo, A.; Oña-Wilhelmi, E.; Panter, M.; Plyasheshnikov, A.; Pühlhofer, G.; de los Reyes, R.; Rhode, W.; Ripken, J.; Rowell, G.; Sahakian, V.; Samorski, M.; Schilling, M.; Siems, M.; Sobzynska, D.; Stamm, W.; Tluczykont, M.; Vitale, V.; Völk, H. J.; Wiedner, C. A.; Wittek, W.
Affiliation:
AA(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AB(Yerevan Physics Institute, Alikhanian Brothers 2, 375036 Yerevan, Armenia.), AC(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.), AD(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.; Now at Humboldt-Universität, Institut für Physik, Newtonstrasse 15, Berlin, Germany.), AE(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), AF(Universität Wuppertal, Fachbereich Physik, Gaussstrasse 20, D-42097 Wuppertal, Germany.), AG(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AH(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), AI(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), AJ(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.; Now at Institut de Física d'Altes Energies, Universidad Autonoma de Barcelona, Edifici Cn, E-08193 Bellaterra (Barcelona), Spain.), AK(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), AL(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), AM(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AN(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.), AO(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.), AP(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AQ(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AR(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AS(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.; Corresponding author; .), AT(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AU(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AV(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), AW(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), AX(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.; Now at Humboldt-Universität, Institut für Physik, Newtonstrasse 15, Berlin, Germany.), AY(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), AZ(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.), BA(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), BB(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), BC(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), BD(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), BE(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), BF(Universität Wuppertal, Fachbereich Physik, Gaussstrasse 20, D-42097 Wuppertal, Germany.), BG(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), BH(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), BI(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), BJ(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), BK(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.; On leave from Altai State University, Dimitrov Street 66, 656099 Barnaul, Russia.), BL(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.; Now at Landessternwarte Heidelberg, Königstuhl, Heidelberg, Germany.), BM(Universidad Complutense, Facultad de Ciencias Físicas, Ciudad Universitaria, E-28040 Madrid, Spain.), BN(Universität Wuppertal, Fachbereich Physik, Gaussstrasse 20, D-42097 Wuppertal, Germany.), BO(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.), BP(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), BQ(Yerevan Physics Institute, Alikhanian Brothers 2, 375036 Yerevan, Armenia.), BR(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), BS(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), BT(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), BU(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.; Home institute: University Lodz, Poland.), BV(Universität Kiel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Leibnizstrasse 15-19, D-24118 Kiel, Germany.), BW(Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, D-22761 Hamburg, Germany.; Now at Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, Palaiseau, France (IN2P3/CNRS).), BX(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.), BY(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), BZ(Max-Planck-Institut für Kernphysik, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany.), CA(Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, D-80805 Munich, Germany.)
Publication:
The Astrophysical Journal, Volume 614, Issue 2, pp. 897-913. (ApJ Homepage)
Publication Date:
10/2004
Origin:
UCP
ApJ Keywords:
Acceleration of Particles, Gamma Rays: Observations, Gamma Rays: Theory, ISM: Individual: Name: Crab Nebula, pulsars: individual (Crab pulsar)
DOI:
10.1086/423931
Bibliographic Code:
2004ApJ...614..897A

Abstract

The Crab supernova remnant has been observed regularly with the stereoscopic system of five imaging air Cerenkov telescopes that was part of the High Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA) experiment. In total, close to 400 hr of useful data have been collected from 1997 to 2002. The differential energy spectrum of the combined data set can be approximated by a power law-type energy spectrum: dΦ/dE=Φ0(E/TeV)Γ, Φ0=(2.83+/-0.04stat+/-0.6sys)10-11 photons cm-2 s-1 TeV-1, and Γ=-2.62+/-0.02stat+/-0.05sys. The spectrum extends up to energies of 80 TeV and is well matched by model calculations in the framework of inverse Compton scattering of various seed photons in the nebula, including for the first time a recently detected compact emission region at millimeter wavelengths. The observed indications for a gradual steepening of the energy spectrum in data is expected in the inverse Compton emission model. The average magnetic field in the emitting volume is determined to be 161.6+/-0.8stat+/-18sys μG. The presence of protons in the nebula is not required to explain the observed flux, and upper limits on the injected power of protons are calculated to be as low as 20% of the total spin-down luminosity for bulk Lorentz factors of the wind in the range of 104-106. The position and size of the emission region have been studied over a wide range of energies. The position is shifted by 13" to the west of the pulsar, with a systematic uncertainty of 25". No significant shift in the position with energy is observed. The size of the emission region is constrained to be less than 2' at energies between 1 and 10 TeV. Above 30 TeV the size is constrained to be less than 3'. No indication of pulsed emission has been found, and upper limits in differential bins of energy have been calculated reaching typically 1%-3% of the unpulsed component.
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