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Article Dans Une Revue Astronomy and Astrophysics - A&A Année : 2023

Constraining the cosmic-ray pressure in the inner Virgo Cluster using H.E.S.S. observations of M 87

F Aharonian , F. Ait Benkhali , C Arcaro , J Aschersleben , M Backes , V Barbosa Martins , R Batzofin , Y Becherini (1) , D Berge , K Bernlöhr , B Bi , M Böttcher , C Boisson (2) , J Bolmont (3) , J Borowska , F Bradascio (4) , M Breuhaus , R Brose , F Brun (4) , B Bruno , T Bulik , C Burger-Scheidlin , T Bylund , S Caroff (5) , S Casanova , R Cecil , J Celic , M Cerruti (1) , T Chand , S Chandra , A Chen , J Chibueze , O Chibueze , G Cotter , J. Damascene Mbarubucyeye , A Djannati-Ataï (1) , K Egberts , J.-P Ernenwein (6) , G. Fichet de Clairfontaine (2) , M Filipovic , G Fontaine (7) , M Füßling , S Funk , S Gabici (1) , S Ghafourizadeh , G Giavitto , D Glawion , J.F Glicenstein (4) , P Goswami , G Grolleron (3) , M.-H Grondin (8) , L Haerer , M Haupt , G Hermann , J.A Hinton , T.L Holch , D Horns , M Jamrozy , F Jankowsky , V Joshi , I Jung-Richardt , E Kasai , K Katarzyński , R Khatoon , B Khélifi (1) , W Kluźniak , Nu Komin , K Kosack (4) , D Kostunin , R.G Lang , S Le Stum (6) , F Leitl , A Lemière (1) , M Lemoine-Goumard (8) , J.-P Lenain (3) , F Leuschner , T Lohse , A Luashvili (2) , I Lypova , J Mackey , D Malyshev , D Malyshev , V Marandon , P Marchegiani , A Marcowith (9) , P Marinos , G Martí-Devesa , R Marx , M Meyer , A Mitchell , R Moderski , L Mohrmann , A Montanari (4) , E Moulin (4) , J Muller (7) , K Nakashima , M de Naurois (7) , J Niemiec , A. Priyana Noel , P O'Brien , S Ohm , L Olivera-Nieto , E de Ona Wilhelmi , S Panny , M Panter , R.D Parsons , G Peron (1) , S Pita (1) , D.A Prokhorov , H Prokoph , G Pühlhofer , A Quirrenbach , P Reichherzer (4) , A Reimer , O Reimer , M Renaud (9) , F Rieger , G Rowell , B Rudak , E Ruiz-Velasco , V Sahakian , H Salzmann , D.A Sanchez (5) , A Santangelo , M Sasaki , J Schäfer , F Schüssler (4) , U Schwanke , J.N.S Shapopi , H Sol (2) , A Specovius , S Spencer , Ł Stawarz , R Steenkamp , S Steinmassl , C Steppa , I Sushch , H Suzuki , T Takahashi , T Tanaka , A.M Taylor , R Terrier (1) , M Tsirou , N Tsuji , Y Uchiyama , C van Eldik , B van Soelen , M Vecchi , J Veh , C Venter , J Vink , T Wach , S.J Wagner , R White , A Wierzcholska , Yu Wun Wong , M Zacharias , D Zargaryan , A.A Zdziarski , A Zech (2) , S Zouari (1) , N Żywucka
F Aharonian
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F. Ait Benkhali
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C Arcaro
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J Aschersleben
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M Backes
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V Barbosa Martins
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R Batzofin
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A.A Zdziarski
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N Żywucka
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Résumé

The origin of the gamma-ray emission from M87 is currently a matter of debate. This work aims to localize the VHE (100 GeV-100 TeV) gamma-ray emission from M87 and probe a potential extended hadronic emission component in the inner Virgo Cluster. The search for a steady and extended gamma-ray signal around M87 can constrain the cosmic-ray energy density and the pressure exerted by the cosmic rays onto the intra-cluster medium, and allow us to investigate the role of the cosmic rays in the active galactic nucleus feedback as a heating mechanism in the Virgo Cluster. H.E.S.S. telescopes are sensitive to VHE gamma rays and have been utilized to observe M87 since 2004. We utilized a Bayesian block analysis to identify M87 emission states with H.E.S.S. observations from 2004 until 2021, dividing them into low, intermediate, and high states. Because of the causality argument, an extended ($\gtrsim$kpc) signal is allowed only in steady emission states. Hence, we fitted the morphology of the 120h low state data and found no significant gamma-ray extension. Therefore, we derived for the low state an upper limit of 58"(corresponding to $\approx$4.6kpc) in the extension of a single-component morphological model described by a rotationally symmetric 2D Gaussian model at 99.7% confidence level. Our results exclude the radio lobes ($\approx$30 kpc) as the principal component of the VHE gamma-ray emission from the low state of M87. The gamma-ray emission is compatible with a single emission region at the radio core of M87. These results, with the help of two multiple-component models, constrain the maximum cosmic-ray to thermal pressure ratio $X_{{CR,max.}}$$\lesssim$$0.32$ and the total energy in cosmic-ray protons (CRp) to $U_{CR}$$\lesssim$5$\times10^{58}$ erg in the inner 20kpc of the Virgo Cluster for an assumed CRp power-law distribution in momentum with spectral index $\alpha_{p}$=2.1.
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Citer

F Aharonian, F. Ait Benkhali, C Arcaro, J Aschersleben, M Backes, et al.. Constraining the cosmic-ray pressure in the inner Virgo Cluster using H.E.S.S. observations of M 87. Astronomy and Astrophysics - A&A, 2023, 675, pp.A138. ⟨10.1051/0004-6361/202346056⟩. ⟨hal-04111745⟩
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