[論文レビュー] Galactic diffuse gamma-ray emission from GeV to PeV energies in light of up-to-date cosmic ray measurements

Rui Zhang, Xiaoyuan Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、GeVからPeVエネルギーにまで及ぶガリクシー内拡散ガンマ線放射を、更新された宇宙線スペクトルおよびフェルミ-LAT（1–500 GeV）とLHAASO（10–1000 TeV）の共同データを用いて再評価した。数GeVから約60 TeVの間で顕著な過剰放射が検出され、これはスペクトル指数-2.40、カットオフエネルギー約30 TeVを持つ追加の指数的カットオフパワー則（ECPL）成分によって最もよく説明され、標準的な宇宙線伝搬モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The diffuse gamma-ray emission between 10 and 1000 TeV from the Galactic plane was recently measured by the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). These observations will help tremendously in constraining the propagation and interaction of cosmic rays in the Milky Way. Additionally, new measurements of CR spectra reach a very high precision up to 100 TeV energies, revealing multiple spectral structures of various species. In this work, we confront the model prediction of the diffuse gamma-ray emission, based on up-to-date measurements of the local cosmic ray spectra and simplified propagation setup, with the measurements of diffuse gamma-rays. To better constrain the low-energy part of the model, we analyze the 14.6 years of Fermi-LAT data to extract the Galactic diffuse emission between 1 and 500 GeV from the same sky regions of LHAASO, after subtracting the contribution from known sources and the isotropic diffuse gamma-ray background. The joint Fermi-LAT and LHAASO spectra thus cover a very wide energy range from 1 GeV to 1 PeV with small gaps from 0.5 to 10 TeV. Compared with the prediction, we find that clear excesses between several GeV and ~60 TeV of the diffuse emission exist. Possible reasons to explain the excesses may include unresolved sources or more complicated propagation models. We illustrate that an exponential-cutoff-power-law component with an index of -2.40 and cutoff energy of ~30 TeV is able to account for such excesses.

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲にわたる最新の局所宇宙線スペクトルを用いて、銀河系宇宙線伝搬および注入を制約すること。
• フェルミ-LATおよびLHAASOからの新しい高精度測定と、モデル予測の拡散ガンマ線放射を一致させること。
• 数GeVから約60 TeVの間で説明のつかない過剰な拡散ガンマ線フラックスの起源を調査すること。
• 源マスキング、伝搬モデルの単純化、および断面積およびガス分布の不確実性がモデル予測に与える影響を評価すること。

提案手法

• 再加速および対流を含む、非等方的・1ゾーン・均一・等方的拡散モデルを用いて宇宙線伝搬をシミュレートする。
• 電子および陽電子を含む最新の一次および二次宇宙線スペクトル測定値に合わせて、宇宙線注入および伝搬パラメータを調整する。
• フェルミ-LAT 14.6年分のデータを再処理し、既知の源と等方的背景を差し引いた後、LHAASOと同一の天の川領域における拡散ガンマ線放射（1–500 GeV）を抽出する。
• モデル予測の拡散ガンマ線放射を、1 GeVから1 PeVの範囲でフェルミ-LATおよびLHAASOの共同データと比較するが、0.5から10 TeVの間にはわずかなギャップがある。
• 過剰放射を説明するために指数的カットオフパワー則（ECPL）成分を導入し、スペクトル指数およびカットオフエネルギーをデータに合わせてフィッティングする。
• ガス分布、ハドロン的断面積、および源マスキングの不確実性に対する感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な宇宙線伝搬モデルは、数GeVから約60 TeVの間で拡散ガンマ線フラックスを著しく低予測するのか？
• RQ2 追加のスペクトル成分が、従来のモデルでは捉えきれない数GeV～TeV領域の観測された過剰放射を説明できるか？
• RQ3 LHAASOおよびフェルミ-LATにおける源マスキング戦略が、拡散放射測定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 ハドロン的断面積およびガス分布の不確実性が、高エネルギー領域におけるモデルの予測能力にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 アイスキューブニュートリノからのマルチメッセンジャ制約は、ガンマ線過剰の解釈にどのように寄与するか？

主な発見

• 標準的な伝搬仮定とは対照的に、数GeVから約60 TeVの間でモデルは拡散ガンマ線フラックスを著しく低予測しており、これは明白な不一致を示している。
• スペクトル指数-2.40、カットオフエネルギー約30 TeVの指数的カットオフパワー則（ECPL）成分が、観測された過剰放射に良好に適合する。
• LHAASOデータ、特に天の川外縁部からのデータは、宇宙線の空間的分布およびその伝搬に関する強い制約を提供する。
• LHAASOにおける源マスキングは、特に天の川平面付近で真の拡散放射の大部分を除去している可能性があり、モデル比較にバイアスを生じさせるおそれがある。
• 現在の1ゾーン・等方的拡散モデルはおそらくあまりに単純である。空間的に依存する、または非等方的な伝搬モデルの方が、データをよりよく説明できる可能性がある。
• ハドロン的断面積およびガス分布の不確実性は、ペブトロンエネルギー領域での正確な予測を達成する上で依然として主な制限要因のままである。