[論文レビュー] Can Cosmic Rays Heat the Intergalactic Medium?

Saumyadip Samui, Kandaswamy Subramanian+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、初期の星形成銀河における超新星および銀河外流に由来する宇宙線（CR）陽子が、断熱的冷却を相殺し、赤方偏移 $z \sim 2$–$4$ における観測された $10^4$–$3\times10^4$ K の宇宙間媒体（IGM）温度を説明するのに寄与する可能性があると提案している。モデルは、CRエネルギーの沈殿によって熱エネルギーを維持することで、早期再電離でさえも、赤方偏移 $z \approx 10$ においても高赤方偏移IGM温度と整合する。

ABSTRACT

Supernova explosions in the early star forming galaxies will accelerate cosmic rays (CRs). CRs are typically confined in the collapsed objects for a short period before escaping into the intergalactic medium (IGM). Galactic outflows can facilitate this escape by advecting CRs into the IGM. An outflow that results in a termination shock can also generate more CRs. We show that the CR protons from the above processes can significantly affect the thermal history of the IGM. Within plausible range of parameters, cosmic ray heating can compensate for adiabatic cooling and explain the measured IGM temperature at redshifts z between 2 to 4, even with early reionization.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（$z \sim 2$–$4$）における宇宙間媒体（IGM）の観測された熱的状態を、宇宙線（CR）加熱が説明できるかどうかを調査すること。
• WMAPが示唆する早期再電離と、断熱的冷却により本来は低くなりすぎるはずの観測されたIGM温度との間に生じる矛盾を解消すること。
• 超新星および終端衝撃波に由来するCRが、エネルギーの沈殿を通じてIGM温度を維持する役割を評価すること。
• 現実的な宇宙論的条件下で、銀河からIGMへと伝播する過程におけるCRのスペクトル的進化とエネルギー損失をモデル化すること。

提案手法

• IGMの熱的進化をモデル化するため、$\Omega_m=0.27$, $\Omega_b=0.04$, $H_0=70$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ の標準的な平坦な $\Lambda$CDM宇宙論を用いた。
• 観測された星形成率密度 $R(z)$、単位星質量あたりの超新星発生率 $f_{\rm SN}$、およびエネルギー $10^{51}$ erg、効率 $\epsilon=0.15$ を用いて、CR陽子の注入率を計算した。
• CR陽子スペクトルを $n(p)dp \propto p^{-q}dp$ というべき乗則としてモデル化し、Coulomb損失、イオン化損失、断熱的損失を含むエネルギー損失方程式を用いて進化を追跡した。
• 電子密度 $n_e$、中性水素密度 $n_{\rm HI}$、および宇宙論的膨張を組み込んだ、エネルギー損失率 $-d\beta/dt$ の式を用いて、CRのエネルギー損失を追跡した。
• エネルギー損失率 $dE/dt$ とCR数密度 $N_{\rm CR}(\beta,z,z_0)$ を用いて、CR加熱率 $\Gamma_{\rm CR}$ を運動量積分によって計算した。
• 熱的進化方程式 $d\cal E/dz = 5\cal E/(1+z) - \Gamma_{\rm CR}$ を解き、IGMの温度 $T(z)$ を導出。初期温度 $T(z_r)$ を再電離赤方偏移 $z_r$ で与え、IGMが一様であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星および銀河外流に由来する宇宙線加熱が、$z \sim 2$–$4$ における観測されたIGM温度 $10^4$–$3\times10^4$ K を説明できるか。
• RQ2 再電離が $z \approx 10$ ごろに起こったとしても、IGMにおける断熱的冷却を補うために、CR加熱はどの程度有効に機能するか。
• RQ3 高赤方偏移銀河におけるCRの閉じ込め（グラマージ）に、予測されるIGM温度がどの程度敏感か。
• RQ4 銀河外流の終端衝撃波が、CRの注入およびその後のIGM加熱に果たす役割は何か。
• RQ5 CR加熱が再電離の熱的記憶を消去することで、早期再電離と高温度観測結果の整合性を回復できるか。

主な発見

• 宇宙線加熱は、再電離が $z \approx 10$ ごろに起こったとしても、$z \sim 2$–$4$ における観測範囲（$10^4$–$3\times10^4$ K）のIGM温度を維持できる。
• 銀河を脱出するCRスペクトルがグラマージ $\lesssim 10$ g cm⁻² であれば、モデルは観測されたIGM温度を再現でき、$z=0$ における予測エネルギー密度 $U_{\rm cr} \sim 6\times10^{-3}$ eV cm⁻³ が得られた。
• 断熱的損失を含むモデル（ケースII）や終端衝撃波による注入を含むモデル（ケースIII）では、低エネルギーCRの効率的注入によりIGM温度が高くなり、それぞれ $z=0$ で $U_{\rm cr} \sim 1.5\times10^{-4}$ および $5.7\times10^{-4}$ eV cm⁻³ となった。
• 銀河的閉じ込め（$x=10$ g cm⁻²）を仮定しても、CR加速効率 $\epsilon$ が $0.3$–$0.4$ に達すれば、観測結果と一致する。これは衝撃波加速モデルと整合的である。
• CR加熱を組み込むことで、IGM温度が $z \sim 2$–$4$ の間で $10^4$ K を下回ることなく維持され、強力な断熱的冷却に対してもCRが有効な加熱機構であることが示された。
• モデルは、CRエネルギー密度とIGM温度が星形成率スケーリング係数 $\eta$ に敏感であることを示したが、UV脱出率の相殺効果により、温度は依然として頑健であった。