[論文レビュー] A Hadronic Scenario for the Galactic Ridge

Daniele Gaggero, Dario Grasso+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、半径依存の宇宙線輸送モデル（KRA γ）を用いて、銀河縁の拡散的ガンマ線およびニュートリノ放射のハドロン的起源を提案している。このモデルは、Fermi-LAT や H.E.S.S. が観測した硬いガンマ線スペクトルを説明でき、銀河中心部におけるニュートリノ放射線が著しく増幅されることを予測しており、IceCube の宇宙線的ニュートリノフラックスおよび ANTARES の上限と整合的である。さらに、KM3NeT は4年間の観測でこのモデルを従来のモデルと区別できる可能性を示している。

ABSTRACT

Several observations from Fermi-LAT, up to few hundred GeV, and from H.E.S.S., up to $\sim$ 10 TeV, reported an intense $γ$-ray emission from the inner part of the Galactic plane. After the subtraction of point-like contributions, the remaining $γ$-ray spectrum can provide important hints about the cosmic-ray (CR) population in that region. In particular, the diffuse spectrum measured by both Fermi-LAT and H.E.S.S. in the Galactic Ridge is significantly harder with respect to the rest of the Galaxy. These results were recently interpreted in terms of a comprehensive CR transport model which, adopting a spatial dependent diffusion coefficient and convective velocity, reproduces Fermi-LAT results on the whole sky as well as local CR spectra. We showed as that model predicts a significantly harder neutrino diffuse emission compared to conventional scenarios: The predicted signal is able to account for a significant fraction of the astrophysical flux measured by IceCube. In this contribution, we use the same setup to calculate the expected neutrino flux from several windows in the inner Galactic plane and compare the results with IceCube observations and the sensitivities of Mediterranean neutrino telescopes. In particular, for the ANTARES experiment, we compare the model expectations with the upper limits obtained from a recent unblinded data-analysis focused on the galactic ridge region. Moreover, we also show the expectations from the galactic ridge for the future KM3NeT observatory, whose position is optimal to observe this portion of the sky.

研究の動機と目的

• 従来の宇宙線輸送モデルが予測するよりも硬い、銀河縁領域における拡散的ガンマ線スペクトルを説明すること。
• 半径依存の宇宙線拡散係数および対流風が、銀河中心部における Fermi-LAT および H.E.S.S. のガンマ線データを一致させられるかを調査すること。
• このモデルが、特に IceCube が観測した宇宙線的ニュートリノフラックスの文脈において、拡散的ニュートリノ放射に与える影響を評価すること。
• ANTARES や IceCube の既存のニュートリノ制約とモデル予測を比較し、将来の KM3NeT 観測の感度を評価すること。
• 銀河縁が、特に IceCube のこの領域における角分解能が低いことから、拡散的銀河ニュートリノの主要な源である可能性を同定すること。

提案手法

• 拡散係数の剛性スケーリング指数 δ と対流速度に半径依存性を導入した修正された宇宙線輸送モデル（KRA γ）を採用する。
• DRAGON コードを用いて宇宙線の伝搬をシミュレートし、銀河縁領域におけるガンマ線およびニュートリノスペクトルを予測する。
• 同じモデルを用いて、密度の高い分子ガス内での陽子-陽子衝突に起因するパイオン崩壊を仮定して、銀河中心平面からの期待されるニュートリノフラックスを計算する。
• Fermi-LAT および H.E.S.S. のガンマ線データ（スペクトル指数およびフラックスレベル）とモデル予測を比較する。
• 3–300 TeV のエネルギー範囲で、IceCube（30 TeV 以上の37イベント）および ANTARES（1500日間のライブタイム、90%信頼区間の上限）からの制約を評価する。
• 4年間のデータ取得期間における将来の KM3NeT 觀測所の感度を予測し、KRA γ モデルと従来モデルを区別できるかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半径依存の宇宙線拡散モデルは、銀河縁で観測された Fermi-LAT や H.E.S.S. の硬いガンマ線スペクトルを説明できるか？
• RQ2 このハドロン的シナリオ下で、銀河縁からの拡散的ニュートリノフラックスはどの程度であり、IceCube の観測された宇宙線的フラックスと比較してどうなるか？
• RQ3 ANTARES や IceCube といった現在のニュートリノ実験が、KRA γ モデルをどの程度まで制約できるか？
• RQ4 将来の KM3NeT 観測は、KRA γ モデルと従来の宇宙線輸送モデルを区別できるか？
• RQ5 このシナリオ下で、IceCube の高エネルギーニュートリノイベントの何パーセントが銀河縁に起因するとされるか？

主な発見

• KRA γ モデルは、Fermi-LAT や H.E.S.S. が測定した銀河縁における硬いガンマ線スペクトル（スペクトル指数 Γ ≈ -2.29）をうまく再現している。
• このモデルは、20 TeV 以上のエネルギー領域で、従来モデルよりも数倍高いニュートリノフラックスを銀河中心部の平面で予測している。
• 3–300 TeV のニュートリノに対して、予測されたニュートリノフラックスは ANTARES の90%信頼区間の上限と整合的である。
• モデルは、カニオン領域の宇宙線スペクトルの詳細に依存するが、30 TeV 以上の37個の高エネルギー IceCube ニュートリノイベントの10–40%を説明している。
• KM3NeT は、優れた角分解能とアップゴーイング・ミュオンニュートリノへの感受性のおかげで、4年間の観測で KRA γ モデルと従来モデルを区別できると予想されている。
• ガンマ線およびニュートリノデータとの整合性から、銀河縁放射のハドロン的起源は強く支持されており、特に高エネルギー領域で妥当なレプトン的代替案が存在しないことから、その根拠は強い。