[論文レビュー] Breaks in gamma-ray spectra of distant blazars and transparency of the Universe

Г. И. Рубцов, S. Troitsky|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、遠方のブラザールのガンマ線スペクトルに見られる顕著な上向きのスペクトルブレークの原因を調査し、これが源の固有の物理的性質によるものではなく、誤った吸収モデルに起因する銀河間空間の透過率の過大評価に起因することを示している。最も慎重な銀河間背景光（EBL）モデルを用いて、著者らはこれらのブレークが赤方偏移に従って系aticallyシフトすることを示しており、これは透過率を過大評価している結果であることを示しており、宇宙が現在のモデルよりもTeV光子に対してより透明である可能性を示唆している。これは、axion-like粒子のような新しい物理現象の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The expected opacity of the intergalactic space limits the mean free path of TeV gamma rays to dozens of Megaparsecs. However, TeV photons from numerous more distant sources have been detected. This might be interpreted, in each particular case, in terms of hardening of the emitted spectrum caused by presently unknown mechanisms at work in the sources. Here we show that this interpretation is not supported by the analysis of the ensemble of all observed sources. In the frameworks of an infrared-background model with the lowest opacity, we reconstruct the emitted spectra of distant blazars and find that upward spectral breaks appear precisely at those energies where absorption effects are essential. Since these energies are very different for similar sources located at various distances, we conclude that the breaks are artefacts of the incorrect account of absorption and, therefore, the opacity of the Universe for gamma rays is overestimated even in the most conservative model. This implies that some novel physical or astrophysical phenomena should affect long-distance propagation of gamma rays. A scenario in which a part of energetic photons is converted to an inert new particle in the vicinity of the source and reconverts back close to the observer does not contradict to our results. [abridged]

研究の動機と目的

• 遠方のブラザールの高エネルギーガンマ線スペクトルに見られる顕著な上向きスペクトルブレークの起源を調査すること。
• これらのブレークが源の物理的特徴であるか、誤った吸収モデルに起因する人工的特徴であるかを検証すること。
• 補正済みスペクトルにおける観測されたスペクトルの硬化が、既知の銀河間背景光（EBL）モデルと整合するかを評価すること。
• 特に、保守的なEBLモデルにおいて、銀河間媒体の透過率が過大評価されていないかを評価すること。
• 長距離ガンマ線伝播に及ぼす影響およびaxion-like粒子のような新しい粒子の存在に関する意味を検討すること。

提案手法

• Fermi-LATおよび大気チェレンコフ望遠鏡からなる99個の遠方ブラザールのサンプルを構築し、z ≥ 0.7かつE > 10 GeVで検出されたものに限定した。
• Gilmoreら（2012）が提示した「ファидゥシャル」EBLモデル（下限値を満たす中で最も透過率が低いモデル）を用いて、観測スペクトルを補正した。
• エネルギーに依存する対生成光学的厚さτ(E, z)を適用し、観測フラックスを補正し、各エネルギーbinでフラックスおよび平均エネルギーを調整した。
• 各エネルギーbinでパワー則近似を用いて観測スペクトルをモデル化し、exp(τ(E))補正を適用し、微分的吸収に起因するエネルギーシフトを考慮した。
• マールムクイストバイアス、赤方偏移の誤差、機器エネルギーキャリブレーション、源の分類依存性についての系統的チェックを実施し、系統的アーティファクトを除外した。
• E0 = 100 GeVのより大きなFermiサンプルを用いて、赤方偏移に依存するブレークパターンの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠方ブラザールのスペクトルに観測された上向きスペクトルブレークは、源の物理的特徴であるか、誤った吸収モデルに起因する人工的特徴であるか？
• RQ2 スペクトルブレークの位置が源の赤方偏移に依存するか。これは、伝播効果であり、源由来の発光物理とは無関係であることを示唆するか？
• RQ3 最も保守的なEBLモデルにおいて、銀河間媒体の透過率が過大評価されていないか？ これは、補正済みスペクトルにおける人工的なスペクトルの硬化を引き起こしているか？
• RQ4 観測されたスペクトル特徴は、源固有のメカニズムではなく、一様な吸収の過大評価によって説明可能であるか？
• RQ5 長距離ガンマ線伝播およびaxion-like粒子のような新しい粒子の存在に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 遠方ブラザールの補正済みスペクトルに観測されたスペクトルブレークは、源に由来するものではなく、銀河間空間の透過率を過大評価している結果である。
• スペクトルブレークのエネルギーは赤方偏移に従って系統的にシフトし、より遠方の源では高いエネルギーに位置する。これは、源由来の特徴とは矛盾する。
• 最も保守的なEBLモデル（Gilmoreら、2012）でさえ、透過率が過大評価されており、宇宙が現在のモデルよりもTeV光子に対してより透明であることを示唆している。
• 観測された赤方偏移依存のブレークパターンは、源関連の物理とは整合せず、サンプル全体にわたる一様な吸収の過大評価と整合する。
• 結果として、高エネルギー光子がaxion-like粒子に変換され、再び光子に戻るような新しい物理現象が、観測された透過性の原因である可能性がある。
• 系統的チェックにより、赤方偏移の誤差、マールムクイストバイアス、機器エネルギーキャリブレーションによる主要なバイアスは除外され、この効果が誤った透過率モデルに起因するという結論を強化した。