[論文レビュー] Evaluation of Hadronic Emission in Starburst Galaxies and Star-forming Galaxies

Yunchuan Xiang, Z. J. Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 85被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、13個の星形成銀河および星burst銀河の11年間のFermi-LATデータを再分析し、1ゾーンおよび2ゾーンのハドロニクスモデルを用いてGeV帯ガンマ線放射の起源を調査した。主に、指数的カットオフを伴うパワー・ラウのプロトン分布が大多数の源を説明できるが、NGC 1068およびNGC 4945におけるスペクトルの硬化を説明するには2ゾーンモデルが必要であり、プロトンのカットオフエネルギーは約100 TeVに達し、星burst銀河ではエネルギー予算が約10⁵⁴ ergに達する。

ABSTRACT

In this work, we reanalyzed 11 years of spectral data from the extit{Fermi} Large Area Telescope ( extit{Fermi}-LAT) of currently observed starburst galaxies (SBGs) and star-forming galaxies (SFGs). We used a one-zone model provided by extbf{NAIMA} and the hadronic origin to explain the GeV observation data of the SBGs and SFGs. We found that a protonic distribution of a power-law form with an exponential cutoff can explain the spectra of most SBGs and SFGs. However, it cannot explain the spectral hardening components of NGC 1068 and NGC 4945 in the GeV energy band. Therefore, we considered the two-zone model to well explain these phenomena. We summarized the features of various model parameters, including the spectral index, cutoff energy, and protonic total energy. Similar to the evolution of supernova remnants (SNRs) in the Milky Way, we estimated the protonic acceleration limitation inside the SBGs to be likely in the order of 10$^{2}$ TeV using the one-zone model; this is close to those of SNRs in the Milky Way.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、星burstおよび星形成銀河におけるGeV帯ガンマ線放射の起源を明確にすることである。
• ハドロニクス的過程、特にプロトン-プロトン衝突が観測されたスペクトルを説明できるかどうかを調査することである。
• 1ゾーンモデルがNGC 1068およびNGC 4945におけるスペクトルの硬化をうまく再現できないという限界を扱うことである。
• NAIMAおよびFermi-LATデータを用いて、これらの銀河における宇宙線加速および伝搬の役割を評価することである。
• 粒子加速機構を制約するために、プロトンのエネルギー予算およびカットオフエネルギーを推定することを含む。

提案手法

• 著者らは、2008年から2019年までの11年間のFermi-LAT Pass 8データ（エネルギー範囲：100 MeV〜500 GeV）を用いた。
• バックグラウンドテンプレートを用い、'P8R3 SOURCE V2'応答関数とバッチド最大尤度法を適用した。
• 13個の銀河のGeVスペクトルをフィットするために、パワー・ラウのプロトン分布と指数的カットオフを伴う1ゾーンモデルを用いた。
• NGC 1068およびNGC 4945に対しては、スペクトルの硬化を説明するため、異なるハドロニクス的成分を有する2ゾーンモデルを導入した。
• NAIMAスペクトルモデリングツールを用いて、宇宙線相互作用からのハドロニクス的放射をシミュレートした。
• 4FGLカタログとカスタムスクリプトを用いてソースモデルを生成し、スペクトル指数と正規化を自由パラメータとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1ゾーンのハドロニクス的モデル（パワー・ラウのプロトン分布と指数的カットオフを伴う）は、星burstおよび星形成銀河のGeVガンマ線スペクトルを説明できるか？
• RQ2 なぜNGC 1068およびNGC 4945は1ゾーンモデルが再現できないGeV帯のスペクトル硬化を示すのか？
• RQ3 2ゾーンモデルは、星burst銀河における宇宙線伝搬および加速にどのような意味を持つのか？
• RQ4 これらの銀河におけるプロトンのカットオフエネルギーおよびエネルギー予算は、ミルキーウェイの超新星残骸と比べてどう異なるのか？
• RQ5 これらの銀河におけるガンマ線放射のハドロニクス的起源は、観測された光度関係と整合的か？

主な発見

• 1ゾーンモデル（パワー・ラウのプロトン分布と指数的カットオフを伴う）は、星burstおよび星形成銀河の多数のGeVスペクトルをうまく説明できた。
• NGC 1068およびNGC 4945は、1ゾーンモデルが再現できないGeV帯のスペクトル硬化を示しており、2ゾーンアプローチが不可欠である。
• 2ゾーンモデルは硬化成分をよりよくフィットし、ハドロニクス的成分1はより硬く、プロトンエネルギー予算（Wp）が成分2より低かった。
• NGC 253およびM82におけるプロトンのカットオフエネルギー（Ecutoff）は10² TeVのオーダーに達しており、効率的なプロトン加速を示唆している。
• 星burst銀河およびSBG-AGNの平均プロトンエネルギー予算（Wp）は約10⁵⁴ ergであり、星形成銀河では約10⁵³ ergである。
• 星burst銀河およびSBG-AGNのスペクトル指数はそれぞれ約2.30および2.19であり、SFGsは平均で2.43とややソフトである。