[論文レビュー] Cosmic Rays VI - Starburst galaxies at multiwavelengths

J. K. Becker, Peter L. Biermann+2 more|ArXiv.org|Jan 13, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 8被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、星形成銀河における遠赤外線／電波相関を、超新星残骸における宇宙線加速に結びつけるモデルを提案している。星間媒体内のエネルギーバランスを記述するため、漏れ箱近似を用い、その結果、超新星残骸内での陽子-陽子衝突が高エネルギー光子（観測された拡散ガンマ線背景の約1–3％に寄与）とニュートリノ（最大エネルギーは約10⁵ GeV）を生成すると予測している。また、近隣のガンマ線バースト（GRB）発生時に検出可能なニュートリノパルスが発生する可能性がある。

ABSTRACT

We propose an explanation for the far-infrared/radio correlation of galaxies in terms of the energy balance of the interstellar medium and determine the flux from high-energy photons and neutrinos from starburst galaxies. We present a catalog of the 127 brightest starburst galaxies with redshifts of z<0.03. In order to investigate the correlation between radio- and far-infrared emission, we apply the leaky box approximation. Further, we derive photon- and neutrino spectra from proton-proton interactions in supernova remnants (SNRs). Here, we assume that a fraction of the SNR's energy is transferred to the acceleration of cosmic rays. We also investigate the possibility of detecting Gamma Ray Bursts from nearby starburst galaxies, using the catalog defined here. We show that the radio emission is only weakly dependent on the magnetic field. It turns out that the intensity of the radio signal is directly proportional to the number of supernova explosions, which scales with the far-infrared luminosity. In addition, we find that high-energy photons from proton-proton interactions in SNRs in starbursts can make up several percent of the diffuse gamma-ray background. The neutrino flux from the same sources has a maximum energy of ~1e5 GeV. Neutrinos can, on the other hand, can be observed if a Gamma Ray Burst happens in a nearby starburst. About 0.03 GRBs per year are expected to occur in the entire catalog. The true number is expected to be even higher, since we only include the brightest sources. The number of events per burst in IceCube varies between about one event and more than 1000 events. This provides good prospects for IceCube to detect a significant event, since the background for a GRB search is close to zero.

研究の動機と目的

• 星形成銀河における長年の遠赤外線／電波光度相関を、星間媒体内での局所的エネルギーバランスモデルによって説明すること。
• 星形成銀河内の超新星残骸におけるハドロニクス的相互作用によって生成される高エネルギー光子およびニュートリノのフラックスを特定すること。
• アイスキューブニュートリノ観測所を用いて、近隣の星形成銀河におけるガンマ線バースト（GRB）から発生する高エネルギーニュートリノの検出可能性を評価すること。
• 多波長解析およびモデルの妥当性検証を目的として、赤方偏移 z < 0.03 の127個の明るく近い星形成銀河のカタログを構築すること。

提案手法

• 星間媒体内のエネルギーバランスを記述するため、漏れ箱近似を適用し、電波放射を超新星発生率および遠赤外線光度と結びつける。
• 超新星残骸内での陽子-陽子衝突のハドロニクス的相互作用モデルを用い、宇宙線加速に起因する二次光子およびニュートリノスペクトルを計算する。
• 超新星残骸エネルギーの一部が宇宙線加速に割り当てられると仮定し、観測された電波およびFIR光度に合わせてパラメータを調整する。
• 赤方偏移が0.03未満の127個の星形成銀河のカタログを構築し、IRAS、VLA、ROSAT、Chandraから得た多波長データ（FIR、電波、X線）を統合する。
• カタログ内のGRB発生率を推定し、星形成銀河が全GRBの一部を占めると仮定し、アイスキューブにおける検出可能なニュートリノイベントレートをモデル化する。
• 陽子-陽子衝突からの統合スペクトルを用いて、解明済み星形成銀河による拡散ガンマ線背景への寄与を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成銀河における遠赤外線と電波の光度のきわめて強い相関を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 超新星残骸内でのハドロニクス的相互作用による高エネルギー光子およびニュートリノが、拡散高エネルギーガンマ線背景にどの程度寄与するか？
• RQ3 星形成銀河からの予想されるニュートリノフラックスは何か？また、アイスキューブのような現在の観測所で検出可能か？
• RQ4 カタログに収録された星形成銀河では、1年間に何回のガンマ線バーストが予想されるか？また、関連するニュートリノパルスの検出可能性はいかがなものか？

主な発見

• 電波放射は磁場強度に対して弱い依存性を示し、直接的に超新星発生率に比例する。この発生率は遠赤外線光度に比例するため、FIR/電波相関が説明できる。
• 超新星残骸内での陽子-陽子衝突に起因する高エネルギー光子は、観測された拡散ガンマ線背景に約1–3％寄与する。
• これらの衝突で生成されるニュートリノの最大エネルギーは約10⁵ GeVに達し、今後の高エネルギーニュートリノ観測所で検出可能なフラックスである可能性がある。
• 127個のカタログ銀河全体にわたり、1年間に約0.03件のガンマ線バーストが発生すると予想され、アイスキューブにおける検出可能なニュートリノイベントレートは1回のバーストあたり1～1000件以上にわたる。
• アイスキューブにおけるGRB探索の背景が低いため、特に明るく近くの源に焦点を当てた本カタログでは、近隣の星形成銀河からのニュートリノ信号の検出が極めて現実的である。
• モデルは、星形成領域におけるインジェクション主導の状況を支持しており、M33のような銀河の空間的解像度の高い研究で観測された平坦な電波スペクトルと整合的である。