[論文レビュー] Beacons at the Gamma Ray Horizon

K. Mannheim, S. Westerhoff+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、15個の近隣ブレザール（z < 0.1）からの高エネルギーγ線放射線束を、陽子ブレザールモデルを用いて予測している。内部吸収（シンクロtron放射光子によるもの）と宇宙空間吸収（銀河間赤外背景放射によるもの）の両方を考慮している。理論的スペクトルはTeV以上で急峻になり、光子指数は約3に達する。これは内部吸収によるものである。宇宙空間吸収が強くなければ、HEGRAがガンマ線/ハドロン分離性能を向上させることで、これらの源を検出可能である。

ABSTRACT

Blazars with redshifts z&lt;0.1 are likely candidates for detection at energies in the range 300 GeV - 50 TeV with Cerenkov telescopes and scintillator arrays. We present gamma-ray flux predictions for a sample of 15 nearby flat-spectrum radio sources fitting the proton blazar model of Mannheim (1993a) to their observed broad-band spectral energy distributions. At high energies, we use fluxes or flux limits measured by ROSAT, CGRO and the Whipple Observatory to constrain their spectra. We take into account absorption of the gamma-rays by pair production with low energy photons of the diffuse infrared-to-optical photon background produced by galaxies (cosmic absorption) and with low energy synchrotron photons of the blazar radiation field (internal absorption). Typically, the theoretical spectra decrease much faster above TeV (photon index s~3) than between GeV and TeV (s~2) owing to internal absorption. The predicted fluxes are confronted with flux limits in the 20-50 TeV energy range obtained by the High Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA) experiment. Without cosmic absorption, the fluxes are about equal to the current sensitivity of HEGRA. Improved gamma/hadron separation techniques could render a detection by HEGRA possible, if cosmic absorption by the far-infrared background at wavelengths ~100 mu is not exceedingly strong.

研究の動機と目的

• 平坦スペクトル電波クェーサーの高エネルギーγ線放射を、陽子ブレザールモデルを用いてモデル化すること。
• ROSAT、CGRO、およびホワイトピル・オブザーバトリの多波長データを用いて、これらの源の固有のγ線スペクトルを制約すること。
• ブレザールのシンクロtron放射光子による内部吸収と、拡散赤外〜可視光背景による宇宙空間吸収が観測放射線束に与える影響を評価すること。
• HEGRA実験が20–50 TeVエネルギー範囲でこれらの源を検出可能かどうかをテストすること。
• 現実的な吸収条件と改善された粒子分離技術のもとで、HEGRAのこれらの源に対する感度を評価すること。

提案手法

• 15個の近隣平坦スペクトル電波源の全波長スペクトルエネルギー分布に、Mannheim (1993a) の陽子ブレザールモデルをフィットする。
• ROSAT、CGRO、およびホワイトピル・オブザーバトリの測定値または測定限界値を用いて、GeV以上の高エネルギースペクトル形状を制約する。
• 放射線輸送モデルを適用し、銀河間背景光（EBL）およびブレザール自身のシンクロtron放射の低エネルギー光子との対生成によるγ線吸収を計算する。
• 300 GeVから50 TeVのエネルギー範囲における期待されるγ線放射線束を、内部吸収および宇宙空間吸収の両方の効果を含めて計算する。
• 理論的放射線束予測と、HEGRAが20–50 TeV範囲で得た放射線束限界を比較し、検出可能性を評価する。
• HEGRAにおけるガンマ線/ハドロン分離技術の向上が、検出可能性に与える可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部吸収および宇宙空間吸収を考慮した場合、近隣ブレザール（z < 0.1）からの予測高エネルギーγ線放射線束はどの程度か？
• RQ2 ブレザール自身のシンクロtron放射による内部吸収が、1 TeV以上のエネルギー領域でのスペクトル形状にどのように影響を与えるか？
• RQ3 銀河間赤外〜可視光背景が、これらの源からの高エネルギーγ線をどの程度抑制するか？
• RQ4 宇宙空間吸収が弱く、かつガンマ線/ハドロン分離技術が向上した場合、HEGRA実験がこれらの源を検出可能か？
• RQ5 異なる吸収状況のもとで、HEGRAの観測放射線束限界と理論的予測はどのように一致するか？

主な発見

• 15個のブレザールの理論的γ線スペクトルは、1 TeV以上で著しく急峻になり、光子指数がs ~ 3に達する。これはブレザール自身のシンクロtron放射による内部吸収によるものである。
• 宇宙空間吸収がなければ、予測放射線束は20–50 TeV範囲でHEGRA実験の現在の感度限界と同等の大きさである。
• 約100 μmの遠赤外背景による宇宙空間吸収が放射線束を顕著に抑制する可能性がある。強い場合、HEGRAによる検出は不可能になる。
• HEGRAにおけるガンマ線/ハドロン分離技術の向上により、これらの源の検出が可能になる可能性があるが、その条件は宇宙空間吸収が強くない場合に限る。
• HEGRAの観測放射線束限界は、宇宙空間吸収が弱いか、存在しない場合に限り、理論的予測と整合的である。
• モデルは、GeVからTeV領域でのスペクトル硬化（s ~ 2）に続く、TeV以上での著しい急峻な低下を予測している。これは内部吸収機構に起因する。