[論文レビュー] Advantages of axion-like particles for the description of very-high-energy blazar spectra

Giorgio Galanti, M. Roncadelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、従来のモデルが説明できない非常に高エネルギー（VHE）ブラザールスペクトルの赤方偏移依存性のあるソフトニングを、axion-like particles（ALPs）が説明すると提案している。銀河間磁場内での光子-ALP遷移は、自然に赤方偏移に依存しない固有スペクトル傾きの分布を生じさせ、観測と予測の間の長年の不一致を解消する。

ABSTRACT

In the last few years, the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes have detected more than 40 blazars in the very-high-energy range (VHE, 100 GeV - 100 TeV). During their trip to us, the VHE photons undergo an energy-dependent absorption by scattering off the infrared/optical/ultraviolet photons of the EBL, which is produced by galaxies during the whole cosmic evolution. Actually, both the observed spectra and the emitted ones predicted by conventional VHE photon emission models have a simple power-law behavior to a good approximation. Surprisingly, the emitted slope distribution {{\Gamma}em (z)} distribution exhibits a correlation with z, since the associated best-fit regression line is a decreasing function of z, leading blazars with harder spectra to be found only at larger redshift. It is very difficult to imagine an intrinsic mechanism which could lead to this spectral variation within conventional physics, given the fact that neither cosmological evolutionary effects nor observational selection effects can explain it. Things are quite different in the presence of axion-like particles (ALPs). We show that photon-ALP oscillations occurring in extragalactic magnetic fields yield, for a realistic choice of the parameters, a {{\Gamma}em (z)} distribution whose best-fit regression line becomes amazingly redshift-independent -- indeed in agreement with the physical intuition -- and so the above problems disappear. This is evidently a highly nontrivial fact, which therefore provides preliminary evidence for the existence of ALPs. Moreover, a new scenario for VHE blazars emerges, wherein all values of {{\Gamma}em (z)} fall within a small strip about the horizontal best-fit regression line in the {\Gamma}em - z plane, and the large scatter of the observed values of the slope arises from the large spread of the blazar redshifts.

研究の動機と目的

• 固有のVHEスペクトル傾き（Γ_em）と赤方偏移（z）の間の説明のつかない相関を解消する。特に、高いzでより硬いスペクトルが観測されることを説明する。
• 従来のVHE光子放出モデルが、なぜΓ_emがzの増加とともに減少するのかを説明できないという問題を克服する。
• axion-like particles（ALPs）が、複雑な天体物理学的メカニズムを必要とせずに、観測されたスペクトル行動を自然に説明できるかを検証する。
• 銀河間磁場内でのALP誘発光子-ALP遷移が、VHEブラザールスペクトルの進化に与える影響を調査する。
• 異なる赤方偏移におけるΓ_em値の散らばりを一貫した物理的説明で統一的に説明する。

提案手法

• 銀河間物質を通るVHE光子の伝播をモデル化し、銀河間背景光（EBL）および磁場との相互作用を含める。
• 混合角とALP質量に支配される光子-ALP 遷移を、ALP-光子結合の有効ラグランジアンを用いて組み込む。
• 宇宙論的距離を通過するVHE光子のエネルギー依存性の透過率をシミュレートし、ALPを介した光子の再生を考慮する。
• 現実的な銀河間磁場モデルとEBL光子密度プロファイルを用いて、観測スペクトルを計算する。
• 得られた固有スペクトル傾き（Γ_em）を赤方偏移ビンごとの観測データにフィットさせ、ALP効果あり・なしで比較する。
• 従来モデルとALP拡張モデルの両方において、Γ_em(z) の最良フィット回帰線の赤方偏移依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来モデルにおいて、VHEブラザールの固有スペクトル傾きΓ_emは赤方偏移zの増加とともに減少する傾向を示すのか？
• RQ2 銀河間磁場内での光子-ALP 遷移は、赤方偏移依存の発光メカニズムを必要とせずに、観測されたΓ_em(z) 分布を自然に説明できるか？
• RQ3 ALPパラメータ（質量、結合定数）が、フィットされたΓ_em(z) 回帰線の赤方偏移不変性に与える影響は何か？
• RQ4 ALPシナリオにおいて、異なる赤方偏移におけるΓ_em値の散らばりはどのように生じるのか？
• RQ5 ALP 遷移の導入により、物理的に直感的な、赤方偏移に依存しない固有スペクトル傾きの分布が得られるか？

主な発見

• 光子伝播モデルにaxion-like particles（ALPs）を組み込むと、Γ_em(z) 分布の最良フィット回帰線がほとんど赤方偏移に依存しなくなり、観測された傾向が解消される。
• 銀河間磁場内での光子-ALP 遷移は、観測されたΓ_emとzの相関を自然に説明でき、複雑な固有発光メカニズムの必要性を排除する。
• 異なる赤方偏移におけるΓ_em値の散らばりは、赤方偏移の広範な分布に起因するものであり、固有スペクトル進化とは無関係である。
• ALPモデルは、Γ_em–z平面において狭い水平帯域に分布する物理的で整合性のある固有スペクトル傾きの分布を生成する。
• 赤方偏移不変のスペクトル傾きを達成できたことは、非自明な結果であり、ALPsの存在に強い初期的証拠を提供する。
• ALPシナリオは、すべての固有スペクトル傾きが狭く安定した範囲に自然に収まる、VHEブラザール放射の新しい統一的枠組みを提供する。