[論文レビュー] Fermi-LAT detection of extended gamma-ray emission in the vicinity of SNR G045.7$-$00.4: evidence for escaping cosmic rays interacting with the surrounding molecular clouds

Hai-Ming Zhang, Ruo-Yu Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、SNR G045.7−00.4近傍の拡張されたGeVガンマ線放射をフェルミ-LATが観測した結果を提示しており、西部に位置する放射源が密度の高い分子雲と空間的に一致していることを特定した。この放射は、SNRから脱出する宇宙線が雲と相互作用することで生じるパイオン崩壊として解釈され、合計で約10⁵⁰ ergの脱出宇宙線エネルギー予算が得られ、2つの年齢/拡散シナリオにおいて一貫している。

ABSTRACT

We present the analysis of Fermi Large Area Telecope (LAT) data of the gamma-ray emission in the vicinity of a radio supernova remnant (SNR), G045.7$-$00.4. To study the origin of the gamma-ray emission, we also make use of the CO survey data of Milky Way Imaging Scroll Painting to study the massive molecular gas complex that surrounds the SNR. The whole size of the GeV emission is significantly larger than that of the radio morphology. Above 3 GeV, the GeV emission is resolved into two sources: one is spatially consistent with the position of the SNR with a size comparable to that of the radio emission, and the other is located outside of the western boundary of the SNR and spatially coincident with the densest region of the surrounding molecular cloud. We suggest that the GeV emission of the western source may arise from cosmic rays (CRs) which have escaped the SNR and illuminated the surrounding molecular cloud. We find that the gamma-ray spectra of the western source can be consistently explained by this scenario with a total energy of $\sim 10^{50}{ m erg}$ in escaping CRs assuming the escape is isotropic.

研究の動機と目的

• SNR G045.7−00.4近傍の拡張されたGeVガンマ線放射の起源を調査すること。
• この放射が、SNRから脱出する宇宙線が周囲の分子雲と相互作用することで生じるかどうかを特定すること。
• ガンマ線およびCOデータを用いて、脱出宇宙線のエネルギー予算と拡散特性を制約すること。
• 西部のガンマ線放射源が、分子雲複合体を照らす脱出宇宙線によって駆動されているという仮説を検証すること。

提案手法

• 2008–2020年の12年間にわたるフェルミ-LAT Pass 8データを、3–500 GeVエネルギー帯でバッチ化された最尤解析を用いて分析した。
• Fermipyツールを用いて源の拡張および形状をモデル化し、拡張源に対して一様な円盤モデルを適合させた。
• 周囲の分子ガス分布と密度をマッピングするために、MWISPプロジェクトのCO調査データとフェルミ-LATデータを統合した。
• 脱出フラックス式を用いてpp衝突からのガンマ線フラックスをモデル化した：nCR(Ep, r) = Np,esc(Ep)/(4π³/²RescRdiffr) × [exp(−(Resc−r)²/Rdiff²) − exp(−(Resc+r)²/Rdiff²)]
• 脱出宇宙線の微分断面積およびパラメトリックな拡散係数D(Ep) = χ×10²⁸(Ep/10 GeV)¹/³ cm²s⁻¹を用いて、西部源の観測されたガンマ線スペクトルをフィットした。
• 2つの極限的シナリオを評価した：1 cm⁻³の低密度IGMにおける7000年間のSNR年齢、および280 cm⁻³の高密度雲における10⁵年間のSNR年齢。ηpおよびχを調整してデータに適合させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 G045.7−00.4近傍の拡張されたGeVガンマ線放射は、SNRから脱出する宇宙線が分子雲と相互作用することと整合的か？
• RQ2 西部源からの観測されたガンマ線フラックスを説明するための脱出宇宙線の合計エネルギー予算は何か？
• RQ3 SNRの年齢および拡散係数が、脱出宇宙線モデルと観測結果との整合性に与える影響は何か？
• RQ4 西部源からのガンマ線放射は、高エネルギー粒子の新たな供給源を必要とせずにpp衝突によって説明可能か？

主な発見

• GeV放射は電波SNRを著しく超えて拡張しており、2つの明確な成分が存在する：SNRと一致するもの（源E）と、それより西にあるもの（源W）。
• CO調査により、源Wが周囲の分子雲で最も密度の高い領域と空間的に一致していることが明らかになった。
• 源Wのガンマ線スペクトルは、脱出宇宙線のpp衝突によって一貫して説明可能であり、脱出陽子に約10⁵⁰ ergの合計エネルギー予算が必要である。
• 2つの妥当なシナリオがデータに適合する：1 cm⁻³の低密度IGMにおける7000年間のSNR（ηp = 0.06、χ = 1）または280 cm⁻³の高密度雲における10⁵年間のSNR（ηp = 0.1、χ = 0.1）、両者とも一貫したフラックスを示した。
• 10 GeVにおける拡散係数は、仮定されたSNRの年齢および環境に応じて1×10²⁷〜10×10²⁷ cm²s⁻¹の間と推定された。
• LHAASOの感度から、宇宙線スペクトルが約1 PeVまで延びる場合、TeVエネルギー領域でも検出可能である可能性があるが、角分解能の制限により源の分離が困難になる可能性がある。