[論文レビュー] Energetic Particles in Clusters of Galaxies and Starburst Galaxies

H. J. Voelk|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、宇宙線および磁場を伴う非熱的過程によって、星burst銀河および銀河団が検出可能な高エネルギーγ線放射を生成すると提案している。非熱的過程として、星burst銀河ではエネルギー粒子の輸送が対流によって支配されており、両システムともTeV帯のγ線を放出すると考えられる。NGC 253はすでにTeV源として検出されており、Comaなどの銀河団は、ハドロニクス的プロトン相互作用および逆コンプトン散乱によって、次世代の機器で観測可能になると予想される。

ABSTRACT

The nonthermal characteristics of starburst galaxies and galaxy clusters are reviewed and the perspectives for their observation in high energy gamma rays discussed. It is argued that starburst galaxies should have physically similar and even simpler nonthermal properties as our Galaxy, the particle transport being convective in their strong galactic winds. They should be measurable in TeV gamma rays by large detectors, and in fact the recent detection of NGC 253 is a first demonstration. Galaxy clusters are equally expected to produce a nonthermal energetic nuclear particle component that gives unambiguous information about the entropy production history in clusters. Both types of objects should be main sources of and at the same time also major visible representatives for the ubiquitous nonthermal component of matter in the Universe.

研究の動機と目的

• 星burst銀河および銀河団における高エネルギー粒子の起源および輸送を理解すること。
• これらのシステムからの非熱的放射が高エネルギーγ線で検出可能かどうかを評価すること。
• 銀河団における観測された硬いX線過剰が、熱的か非熱的過程に起因するかを検証すること。
• 銀河団におけるγ線放射の生成に寄与するハドロニクス的およびレプトン的過程の役割を評価すること。
• 近い将来のγ線望遠鏡によるこれらの源の検出可能性を検討すること。

提案手法

• 電波からX線帯域までの多波長観測データを用いて、粒子密度および磁場強度を推定する。
• 最小エネルギーの議論を用いて、星burst銀河における宇宙線および磁場エネルギー密度を推定する。
• 強力な銀河風のため、星burst銀河では粒子輸送を対流としてモデル化する。
• リキルプロトン分布を仮定して、銀河団におけるハドロニクス的プロトン-プロトン相互作用によるγ線放射を推定する。
• 二次電子およびリキル電子からの逆コンプトン放射およびブレムストラール放射を計算する。
• 予測された放射束と、GLASTおよびCANGAROO III、H.E.S.S.、VERITASなどのイメージング大気チェレンコフ望遠鏡（IACTs）の感度曲線を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 253 や M82 などの星burst銀河からの予想される非熱的γ線放射束はどの程度か？
• RQ2 対流的粒子輸送は、星burst銀河における宇宙線の閉じ込めおよびγ線生成にどのように影響するか？
• RQ3 Comaなどの銀河団におけるγ線放射に、ハドロニクス的プロセスが果たす寄与はどの程度か？
• RQ4 銀河団における観測された硬いX線過剰は、非熱的過程ではなく、衝撃波風からの熱的放射によって説明可能か？
• RQ5 現在および次世代の機器によって、銀河団および星burst銀河がTeV帯γ線源として検出可能か？

主な発見

• NGC 253 や M82 などの星burst銀河では、宇宙線エネルギー密度が銀河系の約2桁高い。
• CANGAROO IIによるNGC 253のTeV帯での検出は、星burst銀河からの強力なγ線放射の予測を裏付けている。
• Comaなどの銀河団は、ハドロニクス的プロトン相互作用によるπ0崩壊によってTeV帯γ線を放出すると予想され、1 TeVにおけるフレックスはカブスネビュラの約5％程度である。
• ハドロニクス的γ線スペクトルは、ブレムストラール遮断エネルギーよりも高いエネルギー領域で、約2の硬いパワー則指数を持つと予想される。
• 銀河団からのブレムストラールおよび$/pi^0$-崩壊γ線放射束は、GeV帯におけるGLAST検出器の感度範囲内にある。
• CANGAROO III、H.E.S.S.、VERITASなどの地上のIACTsは、Comaのような拡張源であっても、その大きな視直径を考慮してもTeV帯でわずかに検出可能である可能性がある。