[論文レビュー] Discovery of an Ionizing Radiation Field in the Universe

R. C. Henry, Jayant Murthy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、宇宙の拡散紫外線背景（UVB）の顕著な一部が、従来の考えとは異なり、ほこりに散乱された星光ではなく、未知の源——おそらくダークマター粒子のゆっくりとした崩壊——に起因するのではと提唱している。これはボイジャー探査機の紫外線スペクトルを再分析した結果である。主な発見は、ボイジャー1号および2号のスペクトルが、912 Å未満で明確に説明のつかない紫外線の明るさの上昇を示しており、特にダークマターの集積方向と整合している。これは、宇宙を再イオン化させた可能性のある、新たな放射場を示唆している。

ABSTRACT

We draw attention to observational evidence indicating that a substantial fraction of the well-known cosmic celestial diffuse ultraviolet background radiation field is actually due not to dust-scattered starlight, but rather---considering its spectral character at most locations in the sky---has an unknown physical origin. We arrive at this conclusion from re-examination of spectra of the diffuse ultraviolet background that were obtained---long ago---using the ultraviolet spectrometers aboard the two Voyager spacecraft, which were located far out in our solar system, and at very different locations. As there is neither a reasonable nor even an unreasonable conventional astrophysical source for this newly-identified fraction of the radiation, we are led to speculate that the photons that we observe have their origin in the very slow decay of the particles that make up the ubiquitous dark matter, which we know envelopes our Galaxy. Whether or not that actually is the source, this new radiation field extends somewhat below 912 Å, so we have found, at last, the radiation that re-ionized the universe.

研究の動機と目的

• 歴史的なボイジャー紫外線スペクトロメータデータを再表現・再分析し、宇宙の拡散紫外線背景（UVB）の起源を再評価すること。
• 銀河系近辺のOB星からのほこりに散乱された星光がUVBを形成するとする従来の天体物理学的説明に疑問を呈すること。
• 912 Å未満での観測されたUVBの上昇が、ダークマター粒子のゆっくりとした崩壊といった新たな物理的源によって説明可能かどうかを調査すること。
• ニューホライズンズのアリススペクトロメータを用いた明確なテストを行い、散乱星光と固有の放射を区別すること。
• UVBの空間的パターンを、重力的ダイナミクスから推定されたダークマター分布と照合すること。

提案手法

• 太陽から離れた位置にあり、異なる地点に配置されたボイジャー1号および2号の紫外線スペクトロメータが測定した拡散紫外線背景スペクトルの再分析。
• ボイジャー機器の分解能38 Åに合わせて劣化させた早期型星（25,000 K）のモデルスペクトルと観測スペクトルを比較し、ほこり散乱仮説を検証すること。
• ニューホライズンズのアリス紫外線スペクトロメータ（10 Å分解能）を用い、ほこりに散乱された星光を排除する決定的テストを行うこと。
• 430本のボイジャーのスペクトルを用いて全天の紫外線明るさをマッピングし、ダークマターの位置と相関する空間的パターンを同定すること。
• ボイジャー1号および2号のデータを相互に照合し、一貫性を確認するとともに、機器に起因する誤差を除外すること。
• 銀河座標（l, b）を用い、紫外線明るさのピークが既知のダークマター集積（特に銀河中心付近およびl ≈ 190°, b ≈ +40°付近）と一致するかを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 912 Å未満での観測された拡散紫外線背景の上昇は、OB星からのほこりに散乱された星光と整合するか？
• RQ2 UVBのスペクトル形状と空間的分布は、銀河間ほこり散乱の従来の天体物理学的モデルで説明可能か？
• RQ3 UVBは、ミルキーウェイ銀河内のダークマター分布と空間的に相関しているか？
• RQ4 UVBの起源が、900–1400 Åの波長域で光子を放出するダークマター粒子のゆっくりとした崩壊に関連している可能性はあるか？
• RQ5 ニューホライズンズのアリススペクトロメータは、UVBにおける散乱星光と固有の放射を明確に区別できるか？

主な発見

• ボイジャー1号および2号のスペクトルは、912 Å未満で明確に説明のつかない紫外線明るさの上昇を示しており、950–1150 Åで1 cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹ Å⁻¹あたり33,000 photonsを超える値を記録している。
• ボイジャー1号の観測No.429（l = 348.7°, b = 51.9°）のスペクトルは、ほこりに散乱された星光のモデルに適合せず、この領域では散乱仮説を否定できる。
• l ≈ 190°, b ≈ +40°付近に顕著な紫外線明るさの集中が観測され、これは既知のダークマター集積と一致しており、物理的関連性を示唆している。
• UVB信号はボイジャー1号および2号の両方で一貫しており、これは実際の天体物理学的信号であり、機器に起因する誤差ではないことを確認している。
• UVBスペクトルはリューマン＝アルファ線（1216 Å）に向かっても上昇を示し、これは標準的な散乱モデルでは説明できない発光を示している。
• 著者らは、この放射場が、宇宙を再イオン化させた長年の謎の源である可能性があると結論づけている。これは、912 Åのリューマン限界を下回るまで延長しているためである。