[論文レビュー] Constraints on cosmic rays in the Milky Way circumgalactic medium from OVIII observations

Manami Roy, Biman B. Nath|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、解析的静水圧平衡モデル（沈降（PP）および等温（IT））に宇宙線（CR）による熱的圧力抑制を組み込み、銀河系の周銀河媒体（CGM）におけるOVIII X線吸収線をモデル化することで、銀河系のCGMにおける宇宙線圧力を制限する。PPモデルではη ≲10、ITモデルではη ≲6が得られ、半径方向に減少するCR対熱的圧力プロファイル（η ∝ 1/x）は、温度の揺らぎを含めた場合に観測と整合的でありながら、中心部のη値を最大で約200まで引き上げることが可能である。

ABSTRACT

We constrain the cosmic ray (CR) population in the circumgalactic medium (CGM) of Milky Way by comparing the observations of absorption lines of OVIII ion with predictions from analytical models of CGM : precipitation (PP) and isothermal (IT) model. For a CGM in hydrostatic equilibrium, the introduction of CR suppresses thermal pressure, and affects the OVIII ion abundance. We explore the allowances given to the ratio of CR pressure to thermal pressure ($ m{P}_{ m{CR}}/ m{P}_{ m{th}}=\eta$), with varying boundary conditions, CGM mass content, photoionization by extragalactic ultraviolet background and temperature fluctuations. We find that the allowed maximum values of $\eta$ are : $\eta\lesssim10$ in the PP model and $\eta\lesssim6$ in the IT model. We also explore the spatial variation of $\eta$ : rising ($\eta=Ax$) or declining ($\eta=A/x$) with radius, where A is the normalization of the profiles. In particular, the models with declining ratio of CR to thermal pressure fare better than those with rising ratio with suitable temperature fluctuation (larger $\sigma_{ m ln T}$ for PP and lower for IT). The declining profiles allow $A\lesssim8$ and $A\lesssim10$ in the case of IT and PP models, respectively, thereby accommodating a large value of $\eta \,(\simeq 200)$ in the central region, but not in the outer regions. These limits, combined with the limits derived from $\gamma$-ray and radio background, can be useful for building models of Milky Way CGM including CR population. However, the larger amount of CR can be packed in cold phase which may be one way to circumvent these constraints.

研究の動機と目的

• 観測されたOVIII X線吸収線を用いて、銀河系の周銀河媒体（CGM）における宇宙線（CR）集団を制限すること。
• CR圧力（η = PCR/Pth で定量化）がCGMにおけるO VIIIのイオン化構造および吸収密度に与える影響を評価すること。
• 半径方向に増加または減少するηのプロファイルが、温度の揺らぎや境界条件を変化させた場合に観測と整合するかをテストすること。
• 既存のγ線および電波背景制約と照らした場合に、CGMにおける高いCR圧力が妥当であるかを評価すること。
• CRが冷媒相に特異的に閉じ込められる可能性が、得られたηの制約を回避する手がかりとなるかを検討すること。

提案手法

• 熱的および宇宙線圧力の寄与を含む静水的・多相性のCGMをモデル化する。
• 等温（IT）および沈降（PP）モデルの解析的解を用いて、ガス密度、温度、イオン化構造の半径方向プロファイルを計算する。
• 金属量および温度の揺らぎを含めた状態で、衝突電離平衡（CIE）および光電離（PI）条件下におけるO VIII吸収密度を計算する。
• CR対熱的圧力比（η）およびその半径依存性（η = Ax または η = A/x）を変化させ、観測されたO VIII吸収密度と整合する許容範囲を同定する。
• ChandraおよびXMM-NewtonミッションからのX線観測による観測されたO VIII吸収密度とモデル予測を比較する。
• 温度の揺らぎを対数正規分布（σlnT）を用いて組み込み、イオン化バランスおよび吸収密度の抑制に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OVIII X線吸収観測を踏まえた場合、銀河系のCGMにおける宇宙線圧力対熱的圧力比（η）の最大許容値は何か？
• RQ2 温度の揺らぎは、PPモデルおよびITモデルにおけるηの制約にどのように影響を与えるか？
• RQ3 半径に伴い減少するηのプロファイル（η ∝ 1/x）は、観測と整合的でありながら、中心部のη値を高めることを許容できるか？
• RQ4 光電離および金属量は、予測されるO VIII吸収密度およびそれに続くηの制限にどのように影響を与えるか？
• RQ5 CGMの冷媒相にCRが特異的に閉じ込められる場合、得られたηの制約を回避する手がかりとなるか？

主な発見

• 温度の揺らぎを含めた場合、沈降（PP）モデルでは、宇宙線圧力対熱的圧力比（η）の最大許容値がη ≲10に制限される。
• 等温（IT）モデルでは、光電離を含めた場合にη ≲6が許容されるが、ITモデルはあまりに単純であり、現実のCGM物理学を反映しているとは考えにくい。
• ηが半径に伴い減少するプロファイル（η = A/x）は、増加するプロファイル（η = Ax）よりも観測と整合的である。特に適切な温度揺らぎ（σlnT）を適用した場合に顕著である。
• ηが減少するプロファイルの場合、正規化定数AはITモデルでA ≲8、PPモデルでA ≲10に制限され、制約に違反せずに中心部のη値を最大で約200まで引き上げることが可能である。
• 制約は特にO VIII吸収が強く、CR圧力抑制に最も影響を受ける内側のCGM領域に最も敏感である。
• γ線および電波背景の制約と併せた結果から、銀河系のCGMに広がる高ηのCR集団はあり得ないが、局所的または中心に集中したCR集団は依然として妥当である可能性がある。