[論文レビュー] Diffuse Gamma-ray Observations of the Orion Molecular Clouds

A. Okumura, Tune Kamae|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、宇宙線と星間核のハドロニクス的相互作用による、オリオンAおよびオリオンB分子雲の拡散γ線観測を用いて、それらの質量を測定する。雲の質量はそれぞれ (80.6 ± 7.5 ± 4.8) × 10³ M☉ および (39.5 ± 5.2 ± 2.6) × 10³ M☉ であり、それぞれのX_CO要因は1.76 ± 0.04 ± 0.02および1.27 ± 0.06 ± 0.01であり、雲ごとのCOからH₂への換算効率に差があることを示している。

ABSTRACT

We report on a preliminary analysis of the diffuse gamma-ray observations of local giant molecular clouds Orion A and B with the Large Area Telescope onboard the Fermi Gamma-ray Space Telescope. The gamma-ray emission of the clouds is well explained by hadronic and electromagnetic interactions between cosmic rays and nuclei in the clouds. In consequence, we obtain the total masses of the Orion A and B clouds to be (80.6 +/- 7.5 +/- 4.8) x 10^3 Msun and (39.5 +/- 5.2 +/- 2.6) x 10^3 Msun, respectively, for the distance to the clouds of 400 pc and the Galactic CR spectrum predicted by GALPROP on the local observations of CRs. The structure of molecular clouds have been extensively studied by radio telescopes, especially using the line intensity of CO molecules (WCO) and a constant conversion factor from Wco to N (H_2) (= Xco). However, this factor is found to be significantly different for Orion A and B: 1.76 +/- 0.04 +/- 0.02 and 1.27 +/- 0.06 +/- 0.01, respectively.

研究の動機と目的

• ハドロニクス的宇宙線相互作用による拡散γ線放射を用いて、オリオンAおよびオリオンB分子雲の全質量を測定すること。
• オリオン複合体内の個々の雲におけるCOからH₂への換算係数（X_CO）を特定し、従来の銀河スケールの推定値との不一致を解消すること。
• 高分解能Fermi-LATデータを用いて、局所的宇宙線スペクトルがγ線放射モデルと整合するかを検証すること。
• 高エネルギー光子を用いた高分解能により、約1°の角度スケールで雲の構造的詳細を解明すること。
• EGRETが報告した「GeV過剰」のような、標準的宇宙線スペクトルからの逸脱の可能性を、更新されたデータとモデリングを用いて調査すること。

提案手法

• P6_V3_DIFFUSEイベントクラスから得た200 MeVから20 GeVのγ線光子を、(ℓ=211°, b=-17°)を中心とする20°半径の範囲内で選別した。
• ハドロニクス的相互作用によるπ⁰崩壊を仮定し、宇宙線フラックスと星間物質密度の積としてγ線放射をモデル化した。
• 局所的宇宙線スペクトルに基づき、宇宙線の伝播をシミュレートし、γ線放射を予測するためのGALPROPコードの使用。
• 観測されたγ線フラックスをモデル化された放射にフィットさせ、COライン強度（W_CO）と仮定されたX_CO要因に制約を加えた。
• エネルギー依存の角度分解能とバックグラウンド除去を適用し、オリオンAおよびオリオンB雲からの放射を分離した。
• マサーパララックス観測による正確な距離測定（400 pc）を組み込み、質量推定値の改善を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散γ線放射から導かれるオリオンAおよびオリオンB分子雲の全質量はそれぞれどれほどか？
• RQ2 オリオンAおよびオリオンBにおけるCOからH₂への換算係数（X_CO）は、標準的な銀河系値とどのように異なり、星間物質密度推定にどのような意味を持つのか？
• RQ3 オリオンにおける観測されたγ線スペクトルは、局所的宇宙線スペクトルに基づく予測とどの程度一致するか？
• RQ4 Fermi-LATデータは、約1°の角度スケールで雲の構造的特徴を解明できるか？ その結果、雲の形態的特徴は何かを示唆するか？
• RQ5 EGRETが以前に報告した「GeV過剰」の兆候は、向上した光子統計とエネルギー分解能を用いてオリオン領域で確認できるか？

主な発見

• オリオンA分子雲の全質量は (80.6 ± 7.5 ± 4.8) × 10³ M☉ と測定され、系統的および統計的不確実性を含む。
• オリオンB分子雲の全質量は (39.5 ± 5.2 ± 2.6) × 10³ M☉ であり、COの放射能が低いことと整合的である。
• オリオンAのCOからH₂への換算係数X_COは 1.76 ± 0.04 ± 0.02 × 10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹ であり、銀河系平均よりも顕著に高い。
• オリオンBのX_CO係数は 1.27 ± 0.06 ± 0.01 × 10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹ であり、標準仮定値よりも低いことを示している。
• 両雲からのγ線放射は、ハドロニクス的相互作用によってよく説明されており、モデルを超える明確な「GeV過剰」の証拠は見当たらない。
• Fermi-LATによる向上した角度分解能と光子統計のおかげで、γ線を用いたオリオン複合体内個々の雲の最初の解像化された質量測定が可能になった。