[論文レビュー] Diffuse Gamma Rays: Galactic and Extragalactic Diffuse Emission

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、の銀河系および背景赤外線放射の高エネルギー拡散ガンマ線放射について包括的な分析を行い、宇宙線の伝搬および星間物質との相互作用とを関連づけている。EGRETのデータと理論的モデルを用いて、銀河系拡散スペクトルにおける一貫したGeV過剰を特定し、宇宙線源分布、注入スペクトル、星間放射場の仮定に深刻な欠陥がある可能性を示唆しており、暗黒物質および宇宙線物理学に影響を及ぼすものである。

ABSTRACT

"Diffuse" gamma rays consist of several components: truly diffuse emission from the interstellar medium, the extragalactic background, whose origin is not firmly established yet, and the contribution from unresolved and faint Galactic point sources. One approach to unravel these components is to study the diffuse emission from the interstellar medium, which traces the interactions of high energy particles with interstellar gas and radiation fields. Because of its origin such emission is potentially able to reveal much about the sources and propagation of cosmic rays. The extragalactic background, if reliably determined, can be used in cosmological and blazar studies. Studying the derived "average" spectrum of faint Galactic sources may be able to give a clue to the nature of the emitting objects.

研究の動機と目的

• 拡散ガンマ線放射の成分を分離する：銀河系的、銀河間的、および解像度の低い点源。
• EGRETが観測した拡散ガンマ線スペクトルにおける説明のつかないGeV過剰の起源を調査する。
• 宇宙線伝搬モデルが拡散放射を説明する役割と、それによる宇宙線源への影響を評価する。
• 星間ガス、放射場、および宇宙線注入の改善されたモデルが、観測されたガンマ線スペクトルの不一致をどのように解消できるかを評価する。
• 近い将来のGLASTミッションのデータ解釈のための理論的枠組みを整える。

提案手法

• 100 MeV以上の連続ガンマ線放射のEGRET全天マップを用いて、空間的およびスペクトル的特徴を分析する。
• 宇宙線が銀河系内に起因するものと仮定し、宇宙線密度と星間物質との相関を適用する宇宙線伝搬モデルを適用する。
• ガンマ線発光度を、宇宙線密度と星間ガスまたは放射場密度の積としてモデル化する。
• 星、ダスト、および宇宙マイクロ波背景からの星間放射場を空間的変化を伴って組み込む。
• 中性ピオン崩壊を介したpp相互作用と逆コンプトン散乱による予測されたガンマ線スペクトルを、観測されたEGRETデータと比較する。
• ガス分布（H I、H II、COトレースH2）、放射場、および源分布の不確実性を評価し、モデルの一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ観測された銀河系の拡散ガンマ線スペクトルは、局所の宇宙線スペクトルに基づく予測を1 GeV以上上回っているのか？
• RQ2 GeV過剰は、仮定された宇宙線源分布、注入スペクトル、または星間物質の性質の不正確さによってどの程度説明可能なのか？
• RQ3 星間放射場およびガス分布の不確実性は、拡散ガンマ線放射の解釈にどのように影響するのか？
• RQ4 拡散ガンマ線放射は、宇宙線核および電子の広域スペクトルに対する信頼できる制約を提供できるか？
• RQ5 解像度の低い銀河系点源は、全拡散放射にどの程度寄与しているのか？また、それらはGeV過剰に寄与している可能性があるか？

主な発見

• 100 MeV以上の拡散ガンマ線放射は、主に宇宙線と星間ガスおよび放射場との相互作用による銀河系的寄与によって支配されている。
• EGRETスペクトルにおいて、一貫したGeV過剰が観測され、局所の宇宙線スペクトルおよび標準的な伝搬モデルに基づく予測を上回っている。
• pp相互作用断面積やπ⁰生成収率の再計算によっても過剰は説明されないため、モデル仮定に根本的な不一致があることが示唆される。
• 水素原子あたりの発光度は、銀河系半径が増加するにつれて減少し、超新星残骸よりも平坦な宇宙線源分布である可能性を示唆している。
• 明るさの低い銀河系点源からの解像度の低い寄与は、拡散放射に寄与している可能性があり、それらの性質を解明する手がかりを提供する可能性がある。
• 本研究は、星間物質構造、放射場、および宇宙線注入の改善されたモデルの必要性を強調している。