[論文レビュー] Absorption of Very High Energy Gamma-Rays by Intergalactic Infrared Radiation: A New Determination

F. W. Stecker, O. C. de Jager|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、理論的モデルに代わり、観測データに基づいて導かれた銀河間赤外放射場を用いて、銀河間ガンマ線吸収を再計算した。その結果、従来のモデルに比べて吸収率が低くなった。Mrk421およびMrk501に適用したところ、10 TeV未満で最小限のスペクトル曲率が予測され、20 TeV以上で吸収カットオフが発生し、赤方偏移 z ≈ 0.03 のエネルギー領域 1–10 TeV で、固有スペクトル指数が 0.2–0.45 よりもやや硬くなる。

ABSTRACT

We present a new calculation of the intergalactic gamma-ray absorption coefficient as a function of both energy and redshift. In reexamining this problem, we make use of a new, empirically based calculation (as opposed to previous model calculations) of the intergalactic infrared radiation field. We find smaller opacities than those given previously (Stecker & De Jager 1997). We apply our results to the new observations of the flaring gamma-ray spectra of Mrk421 and Mrk501, both at a redshift of apx. 0.03. Our new calculations indicate that there should be no significant curvature in the spectra of these sources for energies below 10 TeV, as indicated by recent observations. However, the intrinsic spectra of these sources should be harder by apx. 0.2 to 0.45 in the spectral index in the 1 to 10 TeV range with an intergalactic absorption cutoff above apx. 20 TeV.

研究の動機と目的

• 理論的モデルに代わり、観測に基づく銀河間赤外放射場を用いて、銀河間ガンマ線吸収を再評価すること。
• ブレーザーからの観測されたVHEガンマ線スペクトルと、従来の理論的吸収予測との乖離を解消すること。
• 銀河間透過率の計算における不確実性を低減することで、固有源スペクトルの制約を改善すること。
• 更新された透過率が、赤方偏移 z ≈ 0.03 の源、例えばMrk421およびMrk501における観測スペクトル形状に与える影響を評価すること。
• 将来的な遠方ブレーザーのVHEガンマ線観測を解釈するためのより正確なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 観測データに基づいて導かれた経験的銀河間赤外放射場を用い、従来のモデル依存の仮定を置き換える。
• ペア生成過程 γγ → e⁺e⁻ を通じて、エネルギーおよび赤方偏移に依存するガンマ線吸収係数を計算する。
• 更新された透過率モデルを、赤方偏移 z ≈ 0.03 のMrk421およびMrk501の観測されたフレアスペクトルに適用し、固有源スペクトルを推定する。
• 予測されたスペクトル形状と観測結果を比較して、整合性を評価し、スペクトル指数を制約する。
• 測定可能な赤外背景の性質に焦点を当てた、現象論的アプローチによる銀河間透過率を採用する。
• 経験的データから得られた更新された入力パラメータを用いた、標準ガンマ線透過率形式の修正版を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 経験的導出された銀河間赤外放射場は、非常に高エネルギー領域におけるガンマ線透過率にどのように影響するか？
• RQ2 更新された透過率値により、Mrk421 や Mrk501 などのVHEガンマ線源における予測されたスペクトル曲率はどの程度低減されるか？
• RQ3 新しい透過率モデルのもとで、1–10 TeV 範囲における銀河間吸収のエネルギー・カットオフは予測されるか？
• RQ4 更新された吸収モデルを補正した場合、VHE源の固有スペクトル指数はどのように変化するか？
• RQ5 赤方偏移 z ≈ 0.03 の条件下で、新しい透過率フレームワークのもとで、Mrk421およびMrk501の観測フレアスペクトルは10 TeV未満で最小曲率と整合するか？

主な発見

• 新しい計算により、特に高エネルギーおよび高赤方偏移領域で、従来のモデル依存の推定値よりも低い銀河間ガンマ線透過率が得られた。
• 赤方偏移 z ≈ 0.03 の源、例えばMrk421およびMrk501では、10 TeV未満で無視できるほどのスペクトル曲率が予測され、観測結果と整合的である。
• これらの源の固有スペクトルは、補正されていない観測値と比較して、1–10 TeV のエネルギー領域でスペクトル指数が 0.2～0.45 よりもやや硬くなると予測された。
• 銀河間吸収カットオフは、約20 TeV以上で発生すると推定され、このエネルギーを超えるガンマ線は顕著に減衰すると示唆される。
• 更新された透過率モデルにより、観測結果と予測結果の乖離が低減され、経験的赤外放射場の物理的整合性が支持された。
• 結果から、従来のモデル依存の透過率推定値が吸収を過大評価しており、源のスペクトル形状や固有放射に関する誤った推論を引き起こしていた可能性が示唆された。