[論文レビュー] Gamma Ray Astronomy and the Origin of Galactic Cosmic Rays

S. Gabici|ArXiv.org|Nov 5, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ガンマ線天文学が銀河系宇宙線の起源を解明する役割を果たすことをレビューしている。TeVエネルギー帯で観測された超新星残骸（SNRs）の検出は、バリオン的モデルと整合的であるが、バリオン的およびレプトン的放射メカニズムの間のデゲネラシーのため、明確な証明はまだ得られていない。今後のGeV、TeV、およびマルチTeV領域における多エネルギーガンマ線観測は、CR伝搬モデルを厳密に検証し、SNRにペバトロン（PeVatron）が存在することを特定するためのスペクトルカットオフの探索によって、CRの起源を解明する上で不可欠となる。

ABSTRACT

Diffusive shock acceleration operating at expanding supernova remnant shells is by far the most popular model for the origin of galactic cosmic rays. Despite the general consensus received by this model, an unambiguous and conclusive proof of the supernova remnant hypothesis is still missing. In this context, the recent developments in gamma ray astronomy provide us with precious insights into the problem of the origin of galactic cosmic rays, since production of gamma rays is expected both during the acceleration of cosmic rays at supernova remnant shocks and during their subsequent propagation in the interstellar medium. In particular, the recent detection of a number of supernova remnants at TeV energies nicely fits with the model, but it still does not constitute a conclusive proof of it, mainly due to the difficulty of disentangling the hadronic and leptonic contributions to the observed gamma ray emission. In this paper, the most relevant cosmic-ray-related results of gamma ray astronomy are briefly summarized, and the foreseeable contribution of future gamma ray observations to the final solution of the problem of cosmic ray origin is discussed.

研究の動機と目的

• ガンマ線観測を用いた超新星残骸（SNRs）が銀河系宇宙線（CR）の起源と関連しているという現在の証拠の状況を評価すること。
• SNRガンマ線放射へのバリオン的（陽子-陽子）およびレプトン的（電子-陽電子）寄与を区別するという、長年の曖昧さに対処すること。
• 複数のエネルギー帯域における今後のガンマ線観測が、銀河系CRの起源を解明し、CR伝搬モデルを検証する上で果たす役割を評価すること。
• 拡散ガンマ線放射および分子雲との関連が、CR注入および伝搬を制約する上で果たす役割を検討すること。
• マルチTeVガンマ線スペクトルにおけるスペクトルカットオフの検出が、銀河内に存在する極端なCR加速源（ペバトロン）の証拠となる可能性を調査すること。

提案手法

• TeVエネルギー帯で検出されたSNRのガンマ線放射を分析し、バリオン的相互作用からの理論的予測と観測された放射束を比較する。
• 銀河全体のCR全出力に基づく、モデルに依存しないSNRガンマ線発光度の予測を用いて、バリオン的放射を制約する。
• X線シンクロtronフィラメントおよびSNR RXJ1713.7-3946の急速な変動を、約100 μGの強い磁場を示す間接的証拠とし、バリオン的シナリオを支持する。
• 銀河中心リッジやサイクロス領域のような領域におけるTeV拡散ガンマ線放射とガス密度の相関関係を検討し、密度の高い標的物質が陽子-陽子相互作用を効率的に行うため、バリオン的起源を支持する。
• 局所的なCR密度の過剰とそれに伴うガンマ線放射の揺らぎをモデル化するため、確率的SNR爆発を組み込んだ数値シミュレーションを提案する。
• CRが自己生成された磁場乱流に散乱する自己一貫したCR伝搬モデルを検討し、10^15 eVまでのCRの等方的分布を説明できる可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeV、TeV、およびマルチTeVエネルギー帯におけるガンマ線観測は、SNRガンマ線放射のバリオン的起源とレプトン的起源を明確に区別できるか？
• RQ2 密度の高い分子雲はSNRからのガンマ線放射をどのように強化するのか？また、このような関連はCR注入スペクトルを制約するのにどのように寄与するか？
• RQ3 SNRのマルチTeVガンマ線スペクトルにおけるスペクトルカットオフは、最高エネルギー銀河系宇宙線の源であるペバトロンの存在を示す証拠となるか？
• RQ4 拡散ガンマ線放射の揺らぎは、銀河間物質のクラスタ構造とどのように相関するか？また、それらはCR伝搬に関する何を明らかにするか？
• RQ5 自己生成乱流を含む自己一貫したCR伝搬モデルは、10^15 eVまで観測されたCRの等方的分布を説明できるか？

主な発見

• TeVエネルギー帯で検出された複数のSNRが、バリオン的相互作用からの理論的予測と整合するガンマ線放射束を示しており、SNRがCR起源であるという仮説を支持する。
• サイクロス領域や銀河中心リッジのような領域におけるTeV拡散ガンマ線放射とガス密度の相関関係は、密度の高い分子雲が陽子-陽子相互作用の効率的な標的になるため、バリオン的起源を支持する。
• 多数の検出済みSNRのガンマ線スペクトルにスペクトルカットオフが見られないことから、それらがペバトロンである可能性は示唆されるが、確認にはマルチTeV領域への観測拡張が必要である。
• X線シンクロtronフィラメントおよびRXJ1713.7-3946の急速な変動は、約100 μGの磁場を示しており、バリオン的放射および強力な粒子加速の間接的証拠を提供する。
• フェルミの感度と空間分解能の向上により、GeVエネルギー帯でのSNR検出が可能になり、銀河系拡散ガンマ線放射の部分構造が、ISMのクラスタ構造と関連していることが明らかになるだろう。
• 今後のマルチTeV観測は、SNRガンマ線スペクトルにおけるスペクトルカットオフを特定する上で不可欠であり、ペバトロンがCR源として存在することを直接示す証拠となるだろう。