Studying the role of supernova remnants as cosmic ray PeVatron with LHAASO observations

被引：0

作者：

Banik, Prabir ^{[1
,2
]}

机构：

[1] Bose Inst, Dept Phys, Ctr Astroparticle Phys & Space Sci, EN 80,Sect 5, Kolkata 700091, W Bengal, India

[2] Univ North Bengal, High Energy & Cosm Ray Res Ctr, Siliguri 734013, W Bengal, India

来源：

JOURNAL OF HIGH ENERGY ASTROPHYSICS | 2024年 / 43卷

关键词：

Cosmic rays; Gamma-rays; Neutrinos; SNR; CASSIOPEIA-A SUPERNOVA; ENERGY GAMMA-RAY; IC; 443; ACCELERATION; EMISSION; SPECTRUM; ORIGIN; DISCOVERY; RADIATION; CATALOG;

D O I：

10.1016/j.jheap.2024.06.008

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

It is commonly believed that galactic cosmic rays are produced in supernova remnants (SNRs) and accelerated via a diffusive shock acceleration (DSA) mechanism in supernova blast waves driven by expanding SNRs. The latest theoretical advancement of the diffusive shock acceleration hypothesis in SNRs shows that cosmic rays may be accelerated up to the knee energy of the observed cosmic ray spectrum under the amplified magnetic field scenario. There is, however, no empirical evidence to support SNRs as sources of hadrons with energies larger than a few tens of TeV. Very recently, LHAASO observatory reported the very high-energy gamma ray emission between TeV to PeV energy range from two SNRs, Cassiopeia A and IC 443. Above 25 TeV energies, non -detection of gamma -ray flux by LHAASO yields a strong upper limit. In this work, we investigate the implications of the acceleration of cosmic ray protons in the SNR on energetic gamma rays produced in the hadronic interaction of cosmic rays with ambient matter. Our findings imply that when we consider the highest attainable energy of cosmic ray protons in the SNRs to be about 100 TeV, the observed gamma -ray spectra from the two SNRs can be described consistently. Therefore, we conclude that the Cassiopia A and IC 443 SNRs are unlikely to be cosmic ray PeVatrons.

引用

页码：61 / 65

页数：5

共 62 条

[1] IceCube-Gen2: the window to the extreme Universe [J].

Aartsen, M. G. ;

Abbasi, R. ;

Ackermann, M. ;

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Allison, P. ;

Amin, N. M. ;

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Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A., V ;

Barbano, A. ;

Bartos, I ;

Bastian, B. ;

Basu, V ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

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Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

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Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

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Brostean-Kaiser, J. .

JOURNAL OF PHYSICS G-NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS, 2021, 48 (06)

[2] OBSERVATION OF SUPERNOVA REMNANT IC 443 WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Baughman, B. M. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

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Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

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Dumora, D. ;

Farnier, C. ;

Favuzzi, C. ;

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[3] FERMI-LAT DISCOVERY OF GeV GAMMA-RAY EMISSION FROM THE YOUNG SUPERNOVA REMNANT CASSIOPEIA A [J].

Abdo, A. A. ;

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Allafort, A. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Baring, M. G. ;

Bastieri, D. ;

Baughman, B. M. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

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Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe. ;

Charles, E. ;

Chaty, S. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Corbel, S. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Dormody, M. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Dumora, D. ;

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[4] Fermi Large Area Telescope Fourth Source Catalog [J].

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Ajello, M. ;

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Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

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Bellazzini, R. ;

Berretta, A. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Buson, S. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Castro, D. ;

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Charles, E. ;

Chaty, S. ;

Chen, S. ;

Cheung, C. C. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

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Costantin, D. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

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DeKlotz, M. ;

Luque, P. de la Tone ;

de Palma, F. ;

Desai, A. ;

Digel, S. W. ;

Di Lalla, N. ;

Di Mauro, M. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2020, 247 (01)

[5] Evidence for Proton Acceleration up to TeV Energies Based on VERITAS and Fermi-LAT Observations of the Cas A SNR [J].

Abeysekara, A. U. ;

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Benbow, W. ;

Bird, R. ;

Brose, R. ;

Buchovecky, M. ;

Buckley, J. H. ;

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Cui, W. ;

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Das, S. ;

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Pfrang, K. ;

Pohl, M. ;

Pueschel, E. ;

Quinn, J. ;

Ragan, K. ;

Reynolds, P. T. ;

Richards, G. T. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2020, 894 (01)

[6] OBSERVATION OF EXTENDED VERY HIGH ENERGY EMISSION FROM THE SUPERNOVA REMNANT IC 443 WITH VERITAS [J].

Acciari, V. A. ;

Aliu, E. ;

Arlen, T. ;

Aune, T. ;

Bautista, M. ;

Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

Bradbury, S. M. ;

Buckley, J. H. ;

Bugaev, V. ;

Butt, Y. ;

Byrum, K. ;

Cannon, A. ;

Celik, O. ;

Cesarini, A. ;

Chow, Y. C. ;

Ciupik, L. ;

Cogan, P. ;

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Cui, W. ;

Daniel, M. K. ;

Dickherber, R. ;

Duke, C. ;

Dwarkadas, V. V. ;

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Fortin, P. ;

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Horan, D. ;

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Humensky, T. B. ;

Imran, A. ;

Kaaret, P. ;

Karlsson, N. ;

Kertzman, M. ;

Kieda, D. ;

Kildea, J. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2009, 698 (02) :L133-L137

[7] Detection of the Characteristic Pion-Decay Signature in Supernova Remnants [J].

Ackermann, M. ;

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Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Baring, M. G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

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Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

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[8] Evidence for TeV gamma ray emission from Cassiopeia A [J].

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Bolz, O ;

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ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2001, 370 (01) :112-120

[9] 3FHL: The Third Catalog of Hard Fermi-LAT Sources [J].

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Funk, S. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2017, 232 (02)

[10] 3HWC: The Third HAWC Catalog of Very-high-energy Gamma-Ray Sources [J].

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Carraminana, A. ;

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De la Fuente, E. ;

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Joshi, V. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2020, 905 (01)

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共 62 条

[1] IceCube-Gen2: the window to the extreme Universe [J].

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Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A., V ;

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Beatty, J. J. ;

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BenZvi, S. ;

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Blaufuss, E. ;

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Bohmer, M. ;

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Botner, O. ;

Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

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Brostean-Kaiser, J. .

JOURNAL OF PHYSICS G-NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS, 2021, 48 (06)

[2] OBSERVATION OF SUPERNOVA REMNANT IC 443 WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE [J].

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Barbiellini, G. ;

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Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

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Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe ;

Chekhtman, A. ;

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Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

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Drlica-Wagner, A. ;

Dubois, R. ;

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Farnier, C. ;

Favuzzi, C. ;

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Focke, W. B. ;

Fortin, P. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 712 (01) :459-468

[3] FERMI-LAT DISCOVERY OF GeV GAMMA-RAY EMISSION FROM THE YOUNG SUPERNOVA REMNANT CASSIOPEIA A [J].

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Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Busetto, G. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe. ;

Charles, E. ;

Chaty, S. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Corbel, S. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Dormody, M. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Dumora, D. ;

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Farnier, C. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2010, 710 (01) :L92-L97

[4] Fermi Large Area Telescope Fourth Source Catalog [J].

Abdollahi, S. ;

Acero, F. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Axelsson, M. ;

Baldini, L. ;

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Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Becerra Gonzalez, J. ;

Bellazzini, R. ;

Berretta, A. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Buson, S. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Castro, D. ;

Cavazzuti, E. ;

Charles, E. ;

Chaty, S. ;

Chen, S. ;

Cheung, C. C. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Coronado-Blazquez, J. ;

Costantin, D. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

D'Ammando, F. ;

DeKlotz, M. ;

Luque, P. de la Tone ;

de Palma, F. ;

Desai, A. ;

Digel, S. W. ;

Di Lalla, N. ;

Di Mauro, M. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2020, 247 (01)

[5] Evidence for Proton Acceleration up to TeV Energies Based on VERITAS and Fermi-LAT Observations of the Cas A SNR [J].

Abeysekara, A. U. ;

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Benbow, W. ;

Bird, R. ;

Brose, R. ;

Buchovecky, M. ;

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Chromey, A. J. ;

Cui, W. ;

Daniel, M. K. ;

Das, S. ;

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Falcone, A. ;

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Mukherjee, R. ;

Nievas-Rosillo, M. ;

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Park, N. ;

Petrashyk, A. ;

Pfrang, K. ;

Pohl, M. ;

Pueschel, E. ;

Quinn, J. ;

Ragan, K. ;

Reynolds, P. T. ;

Richards, G. T. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2020, 894 (01)

[6] OBSERVATION OF EXTENDED VERY HIGH ENERGY EMISSION FROM THE SUPERNOVA REMNANT IC 443 WITH VERITAS [J].

Acciari, V. A. ;

Aliu, E. ;

Arlen, T. ;

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Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

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Buckley, J. H. ;

Bugaev, V. ;

Butt, Y. ;

Byrum, K. ;

Cannon, A. ;

Celik, O. ;

Cesarini, A. ;

Chow, Y. C. ;

Ciupik, L. ;

Cogan, P. ;

Colin, P. ;

Cui, W. ;

Daniel, M. K. ;

Dickherber, R. ;

Duke, C. ;

Dwarkadas, V. V. ;

Ergin, T. ;

Fegan, S. J. ;

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Finnegan, G. ;

Fortin, P. ;

Fortson, L. ;

Furniss, A. ;

Gall, D. ;

Gibbs, K. ;

Gillanders, G. H. ;

Godambe, S. ;

Grube, J. ;

Guenette, R. ;

Gyuk, G. ;

Hanna, D. ;

Hays, E. ;

Holder, J. ;

Horan, D. ;

Hui, C. M. ;

Humensky, T. B. ;

Imran, A. ;

Kaaret, P. ;

Karlsson, N. ;

Kertzman, M. ;

Kieda, D. ;

Kildea, J. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2009, 698 (02) :L133-L137

[7] Detection of the Characteristic Pion-Decay Signature in Supernova Remnants [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Baring, M. G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Busetto, G. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, O. ;

Charles, E. ;

Chaty, S. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Chiaro, G. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Conrad, J. ;

Corbel, S. ;

Cutini, S. ;

D'Ammando, F. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Dermer, C. D. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. .

SCIENCE, 2013, 339 (6121) :807-811

[8] Evidence for TeV gamma ray emission from Cassiopeia A [J].

Aharonian, F ;

Akhperjanian, A ;

Barrio, J ;

Bernlöhr, K ;

Börst, H ;

Bojahr, H ;

Bolz, O ;

Contreras, J ;

Cortina, J ;

Denninghoff, S ;

Fonseca, V ;

Gonzalez, J ;

Götting, N ;

Heinzelmann, G ;

Hermann, G ;

Heusler, A ;

Hofmann, W ;

Horns, D ;

Ibarra, A ;

Iserlohe, C ;

Jung, I ;

Kankanyan, R ;

Kestel, M ;

Kettler, J ;

Kohnle, A ;

Konopelko, A ;

Kornmeyer, H ;

Kranich, D ;

Krawczynski, H ;

Lampeitl, H ;

Lopez, M ;

Lorenz, E ;

Lucarelli, F ;

Magnussen, N ;

Mang, O ;

Meyer, H ;

Mirzoyan, R ;

Moralejo, A ;

Ona, E ;

Padilla, L ;

Panter, M ;

Plaga, R ;

Plyasheshnikov, A ;

Prahl, J ;

Pühlhofer, G ;

Rauterberg, G ;

Röhring, A ;

Rhode, W ;

Rowell, GP ;

Sahakian, V .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2001, 370 (01) :112-120

[9] 3FHL: The Third Catalog of Hard Fermi-LAT Sources [J].

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bellazzini, R. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bregeon, J. ;

Britto, R. J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caragiulo, M. ;

Caraveo, P. A. ;

Cavazzuti, E. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Cohen, J. M. ;

Costantin, D. ;

Costanza, F. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

D'Ammando, F. ;

de Palma, F. ;

Desiante, R. ;

Digel, S. W. ;

Di Lalla, N. ;

Di Mauro, M. ;

Di Venere, L. ;

Dominguez, A. ;

Drell, P. S. ;

Dumora, D. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Ferrara, E. C. ;

Fortin, P. ;

Franckowiak, A. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2017, 232 (02)

[10] 3HWC: The Third HAWC Catalog of Very-high-energy Gamma-Ray Sources [J].

Albert, A. ;

Alfaro, R. ;

Alvarez, C. ;

Angeles Camacho, J. R. ;

Arteaga-Velazquez, J. C. ;

Arunbabu, K. P. ;

Avila Rojas, D. ;

Solares, H. A. Ayala ;

Baghmanyan, V. ;

Belmont-Moreno, E. ;

BenZvi, S. Y. ;

Brisbois, C. ;

Caballero-Mora, K. S. ;

Capistran, T. ;

Carraminana, A. ;

Casanova, S. ;

Cotti, U. ;

Coutino de Leon, S. ;

De la Fuente, E. ;

Diaz Hernandez, R. ;

Diaz-Cruz, L. ;

Dingus, B. L. ;

DuVernois, M. A. ;

Durocher, M. ;

Diaz-Velez, J. C. ;

Ellsworth, R. W. ;

Engel, K. ;

Espinoza, C. ;

Fan, K. L. ;

Fang, K. ;

Alonso, M. Fernandez ;

Fleischhack, H. ;

Fraija, N. ;

Galvan-Gamez, A. ;

Garcia, D. ;

Garcia-Gonzalez, J. A. ;

Garfias, F. ;

Giacinti, G. ;

Gonzalez, M. M. ;

Goodman, J. A. ;

Harding, J. P. ;

Hernandez, S. ;

Hinton, J. ;

Hona, B. ;

Huang, D. ;

Hueyotl-Zahuantitla, F. ;

Huntemeyer, P. ;

Iriarte, A. ;

Jardin-Blicq, A. ;

Joshi, V. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2020, 905 (01)

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