[論文レビュー] Broad-band diffuse gamma ray emission of the Galactic Disk

F. Aharonian, A. M. Atoyan|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用数 39

ひとこと要約

本論文は、10⁴ eV から 10¹⁴ eV のエネルギー範囲における銀河平面における拡散的ガンマ線放射を調査し、支配的となる放射メカニズムを特定している。1–100 MeV では電子によるブレムストラahlung と逆コンプトン散乱が支配的であり、100 MeV–100 GeV では宇宙線陽子および原子核の衝突に起因するパイオン崩壊が支配的であり、超高エネルギー領域ではテルバトン電子による逆コンプトン放射が支配的である。主な発見は、E ≥ 100 GeV の高エネルギー領域におけるガンマ線スペクトルが、電子エネルギースペクトルおよび宇宙線の伝播モデルに強く依存しており、放射の起源が核子的かレプトン的かを区別する上で重要な示唆をもたらしている。

ABSTRACT

The contributions of different radiation mechanisms to the diffuse gamma-ray emission of the galactic disk are studied in a broad energy region from X-rays to very high energy gamma rays.

研究の動機と目的

• 銀河平面における広範なエネルギー範囲で、ブレムストラahlung、逆コンプトン散乱、およびパイオン崩壊といった異なる放射メカニズムの寄与割合を特定すること。
• 特に銀河中心部における観測されたギガエレクトロン領域のガンマ線放射が、宇宙線スペクトルおよび伝播特性に与える影響を評価すること。
• E ≥ 100 GeV の高エネルギー領域におけるガンマ線放射が、マルチテルバトン電子による逆コンプトン散乱か、宇宙線原子核からのパイオン崩壊か、どちらの寄与が支配的であるかを評価すること。
• 超相対論的電子によるシンクロtron放射が、銀河リッジ領域の観測されたハードX線放射に果たす可能性のある役割を検討すること。
• GLASTおよび地上のチェレンコフ望遠鏡による今後の高分解能ガンマ線観測データを、宇宙線加速および伝播の理解に応用するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 宇宙線が星間ガスと相互作用する過程で生じる電子のブレムストラahlung、逆コンプトン散乱、およびパイオン崩壊といった放射メカニズムを用いて、10⁴ eV から 10¹⁴ eV のエネルギー範囲における拡散的ガンマ線放射をモデル化すること。
• エネルギー依存性を持つ電子および陽子の注入スペクトルを用いて、それらがもたらすガンマ線放射のフラックスを計算し、スペクトル指数および最大エネルギーに注目すること。
• やや相対論的であるとされる陽電子が周囲の熱的電子と空中で対消滅する寄与が、約1 MeV のガンマ線放射に与える影響を評価すること。
• 伝播モデルとして拡散的移動と対流的脱出の2通りを想定し、それらが予測される高エネルギー領域のガンマ線フラックスに与える影響を評価すること。
• SAS-2、COS-B、OSSE、COMPTEL、EGRET からの観測データと理論的予測を比較し、モデルパラメータを制約すること。
• GLASTおよびH.E.S.S. や CANGAROO-3 といった地上の装置による、超高エネルギー領域のガンマ線の今後の検出可能性を予測し、レプトン的とハドロン的放射メカニズムを区別する手がかりを得ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10⁴ eV から 10¹⁴ eV のエネルギー範囲における銀河平面の拡散的ガンマ線放射を支配する主要な放射メカニズムは何か？
• RQ2 特に E ≥ 100 GeV の領域において、逆コンプトン散乱とパイオン崩壊の寄与割合はどのようにエネルギーに依存するか？
• RQ3 銀河中心部における観測されたギガエレクトロン領域のガンマ線放射は、本当に拡散的放射と見なせるのか？ これは星間空間における宇宙線陽子および原子核スペクトルにどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 銀河リッジ領域のハードX線放射は、超相対論的電子によるシンクロtron放射でどの程度説明可能か？ これにより電子エネルギーおよび磁場強度にどのような制約が課されるか？
• RQ5 今後のGLASTおよび地上のチェレンコフ望遠鏡による高分解能ガンマ線観測は、超高エネルギー領域のガンマ線放射の起源がレプトン的かハドロン的かをどのように区別するのを支援するか？

主な発見

• 1–100 MeV のエネルギー領域では、1 GeV 未満のエネルギーの電子によるブレムストラahlung が、ガンマ線放射を支配しており、より高エネルギーの電子による逆コンプトン散乱からの寄与も無視できない。
• 約1 MeV のエネルギー領域における放射の顕著な一部は、やや相対論的である陽電子が周囲の熱的電子と空中で対消滅する過程に起因する可能性がある。
• 100 MeV から 100 GeV のエネルギー領域では、宇宙線陽子および原子核が星間ガスと衝突して生成される二次的パイオン（π⁰）の崩壊に起因するガンマ線フラックスが主な寄与を占める。
• E ≥ 100 GeV の領域では、電子の注入スペクトルが1 TeV を超えて延長されている場合、逆コンプトン成分がパイオン崩壊成分と同等、あるいはそれを上回る可能性がある。
• 観測された E ≥ 100 GeV の超高エネルギー領域のガンマ線フラックスは、仮定された宇宙線伝播モデルに強く依存しており、拡散的モデルでは逆コンプトン放射が支配的であり、対流的モデルではパイオン崩壊が支配的である。
• 超相対論的電子によるシンクロtron放射は、銀河リッジ領域の拡散的ハードX線放射の顕著な一部を説明できる可能性があり、これには電子の最大エネルギーが約10¹⁵ eV に達し、磁場強度が20 μG以上である必要がある。