[論文レビュー] Account of the baryonic feedback effect in gamma-ray measurements of intergalactic magnetic fields

Kyrylo Bondarenko, Alexey Boyarsky+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、銀河風に起因するバリオン系フィードバック—特に磁化された放出—が、宇宙空洞における銀河間磁場（IGMF）のガンマ線測定に与える影響を調査する。IllustrisTNGの宇宙論的シミュレーションを用いて、このようなフィードバックが二次的ガンマ線放射を通常は約10%しか抑制しないことが判明した。これは、観測された放射率の低下が主に原始的IGMFに起因するものであり、フィードバック効果によるものではないことを示唆する。ただし、硬スペクトルの源では、局所的なバブルの影響により、抑制率が60%に達する稀なケースも存在する。

ABSTRACT

Intergalactic magnetic fields in the voids of the large-scale structure can be probed via measurements of secondary gamma-ray emission from gamma-ray interactions with extragalactic background light. Lower bounds on the magnetic field in the voids were derived from the non-detection of this emission. It is not clear a priori what kind of magnetic field is responsible for the suppression of the secondary gamma-ray flux: a cosmological magnetic field that might be filling the voids or the field spread by galactic winds driven by star formation and active galactic nuclei. We used IllustrisTNG cosmological simulations to study the effect of magnetized galactic wind bubbles on the secondary gamma-ray flux. We show that within the IllustrisTNG model of baryonic feedback, the galactic wind bubbles typically provide energy-independent secondary flux suppression at the level of about 10%. The observed flux suppression effect has to be due to the cosmological magnetic field in the voids. This might not be the case for a special case when the primary gamma-ray source has a hard intrinsic gamma-ray spectrum that peaks in the energy range above 50 TeV. In this case, the observational data may be strongly affected by the magnetized bubble that is blown by the source host galaxy.

研究の動機と目的

• バリオン系フィードバックによる銀河風が、ガンマ線観測における原始的銀河間磁場（IGMF）の検出を模倣または隠蔽する可能性があるかどうかを評価すること。
• 活動銀河核（AGN）に起因する磁化されたバブルが、視線方向の二次的ガンマ線放射に及ぼす抑制の程度を特定すること。
• 空洞におけるIGMFによる放射率の低下と、銀河間媒体内でのフィードバック駆動型磁化バブルによるものとを区別すること。
• Fermi-LATデータを用いたIGMF測定における、フィードバック効果が引き起こす系統的不確実性を定量化すること。
• 特に50 TeVを超える高エネルギー端を持つ源において、フィードバック効果が支配的になる条件を評価すること。

提案手法

• IllustrisTNGの宇宙論的シミュレーションを用いて、銀河間媒体内における磁化された銀河風バブルの分布および力学をモデル化した。
• 遠方のAGNから発する高エネルギー光子が磁化領域を通過する際の挙動を追跡し、電磁カスケードを介して二次的ガンマ線放射を計算した。
• 電子・陽電子の磁場による偏光が引き起こすガンマ線放射の抑制を、空洞および磁化バブルの両方でシミュレートした。
• エネルギー依存性の異なる抑制パターンを比較した：バブルによるエネルギーに依存しない抑制と、IGMFによるエネルギーに依存する抑制。
• 特に高エネルギー端（>50 TeV）を持つ主源のスペクトル形状が、バブルによる抑制寄与の相対的寄与に与える影響を分析した。
• 複数の視線方向にわたる統計的解析を用いて、フィードバック効果が引き起こすIGMF測定における系統的不確実性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン系フィードバックに起因する磁化された銀河風バブルは、銀河間媒体内での二次的ガンマ線放射にどの程度抑制を及ぼすか？
• RQ2 観測された二次的ガンマ線放射の抑制は、宇宙論的銀河間磁場に起因するのか、それともフィードバック駆動型バブルに起因するのか？
• RQ3 主源のスペクトル形状、特に高エネルギー端（>50 TeV）が、バブルとIGMFの両者による放射率抑制に及ぼす相対的寄与にどのように影響するか？
• RQ4 エネルギー依存性の異なる抑制シグネチャを持つ磁化バブルとIGMFの効果は、観測データから区別可能か？
• RQ5 Fermi-LATデータを用いたIGMF測定において、フィードバック効果が引き起こす系統的不確実性の大きさはどの程度か？

主な発見

• IllustrisTNGのバリオン系フィードバックモデルにおいて、磁化された銀河風バブルは通常、電子・陽電子のエネルギーに依存せず、二次的ガンマ線放射を約10%程度抑制する。
• 稀なケース—例えば最初の100 Mpcにわたり広範なバブル汚染が見られる視線方向—では、放射率の抑制が最大60%に達することがあり、主に局所的な磁場強化に起因する。
• 磁化バブルによる抑制はエネルギーに依存しないが、空洞内の銀河間磁場による抑制はエネルギーに依存し、低エネルギー領域でのみ顕著になる。
• この差異により、主源スペクトルがよく制約されている限り、観測データからバブル効果とIGMF効果を分離可能である。
• 高エネルギー端が50 TeVを超える源では、主光子の平均自由行程が、母銀河の磁化バブルのサイズと同等にまでなるため、強い抑制と大きな系統的不確実性が生じる。
• 信頼性の高いIGMF測定には、フィードバックバブルの変動的影響を平均化するための多数の源のサンプルが必要であり、フィードバック効果に起因する系統的不確実性は平均で約10%（個々の源では最大60%）と推定される。