[論文レビュー] A GeV-TeV particle component and the barrier of cosmic-ray sea in the Central Molecular Zone

Xiaoyuan Huang, Qiang Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 67被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、フェルミ-LAT γ線データを用いて、銀河中心の中心分子領域（CMZ）に、GeV〜TeV域の宇宙線成分が存在することを特定した。これは、拡散的宇宙線海からの予想よりも硬いスペクトルと低い放射束度を示しており、銀河中心に高エネルギー加速器が存在し、かつ宇宙線海の浸透を制限する遮断壁（おそらく磁場によるもの）が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Cosmic rays are important probe of a number of fundamental physical problems such as the acceleration of high and very high energy particles in extreme astrophysical environments. The Galactic center is widely anticipated to be an important cosmic-ray source and the observations of some Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes did successfully reveal a component of TeV-PeV cosmic rays in the vicinity of the Galactic center. Here we report the identification of GeV-TeV cosmic rays in the central molecular zone with the $\gamma$-ray observations of the Fermi Large Area Telescope, whose spectrum and spatial gradient are consistent with that measured by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes but the corresponding cosmic-ray energy density is substantially lower than the so-called cosmic-ray sea component, suggesting the presence of a high energy particle accelerator at the Galactic center and the existence of a barrier that can effectively suppress the penetration of the particles from the cosmic-ray sea to the central molecular zone.

研究の動機と目的

• フェルミ-LAT γ線データを用いて、中心分子領域（CMZ）における低エネルギー宇宙線成分を同定・特徴付けること。
• CMZにおける観測された γ 線放射が、宇宙線海と分子ガスの相互作用に起因するのか、それとも別個の局所的源に起因するのかを特定すること。
• CMZにおける宇宙線の空間的およびスペクトル的性質を、広域的な銀河宇宙線分布と比較すること。
• 銀河中心GeV過剰（GCE）が観測された γ 線放射に果たす役割を評価し、その寄与を分離すること。
• 放射束度およびスペクトルの乖離に基づき、宇宙線海がCMZへの浸透を抑制する障壁が存在することを推論すること。

提案手法

• GALPROPおよびプランクのダスト透過率テンプレートを用いて、中性子の崩壊に起因する γ 線放射をモデル化し、フェルミ-LATデータの形態的およびスペクトル的解析を実施した。
• CMZ領域および非CMZ領域における γ 線放射束度およびスペクトル指数をフィットし、宇宙線海モデルの予測と観測スペクトルを比較した。
• 解析におけるバイアスを避けるために、拡散放射モデルに銀河中心GeV過剰（GCE）成分を組み込んだ。
• GALPROPコードを用いて、分子ガスとの相互作用に起因する宇宙線の伝搬および γ 線生成をシミュレートした。
• スペクトルおよび放射束度測定の不確実性を評価するために、信頼区間（1σ、2σ）を適用した。
• XCO係数によるガス密度変換の不確実性を低減するため、GALPROPとプランクの両方のガステンプレートを用いて結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMZに、拡散的宇宙線海とは異なる、明確なGeV〜TeV域の宇宙線成分が存在するか？
• RQ2 CMZにおける γ 線放射のスペクトルの硬さと放射束度は、宇宙線海と分子ガスの相互作用による予想と一致するか？
• RQ3 銀河中心GeV過剰（GCE）は、観測された γ 線放射にどのような役割を果たしており、解析においてどのように扱うべきか？
• RQ4 強力な磁場などの物理的障壁が、宇宙線海からCMZへの宇宙線の浸透を抑制している可能性は？
• RQ5 観測された放射束度と予測された放射束度の乖離は、銀河中心における宇宙線環境にどのような意味を持つのか？

主な発見

• CMZに、スペクトル指数 2.49 ± 0.07 のGeV〜TeV域の宇宙線成分が同定された。これは、GALPROP銀河拡散放射モデルが予測する 2.68 よりも硬いスペクトルである。
• CMZにおける8 GeVから500 GeVまでの統合 γ 線放射束度は (7.05 ± 0.44) × 10⁻⁵ MeV cm⁻² s⁻¹ であり、宇宙線海との相互作用によって予想される放射束度よりも顕著に低い。
• 観測スペクトルは、H.E.S.S. および他のIACTによるVHE観測と整合的であり、銀河中心に高エネルギー粒子加速器が存在することを支持する。
• CMZにおける宇宙線エネルギー密度は、宇宙線海の外挿値よりも顕著に低く、外部からの粒子流入が抑制されていることを示している。
• この乖離は、銀河中心の周囲に宇宙線海の浸透を制限する障壁（おそらく磁場によるもの）が存在するという説明が最も適切である。
• GALPROPに代えてプランクのダスト透過率テンプレートを用いても結果は同様に頑健であり、ガス密度変換におけるXCO係数の不確実性が低減された。