[論文レビュー] Gamma-ray detection toward the Coma cluster with Fermi-LAT: Implications for the cosmic ray content in the hadronic scenario

R. Adam, Hazal Goksu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 85被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Fermi-LATデータを用いて、コマ銀河団からの拡散的ガンマ線放射が確認された。これは、団内物質（ICM）における荷電粒子の衝突によるパイオン崩壊としてモデル化されている。これは、銀河団における宇宙線陽子の含量に対する初めての定量的制約を与える——R500内ではXCRp = 1.79+1.11−0.30%であり、また、二次電子だけでは観測された電波放射を説明できないことから、追加の電子集団または再加速メカニズムが必要であることを示している。

ABSTRACT

The presence of relativistic electrons within the diffuse gas phase of galaxy clusters is now well established, but their detailed origin remains unclear. Cosmic ray protons are also expected to accumulate during the formation of clusters and would lead to gamma-ray emission through hadronic interactions within the thermal gas. Recently, the detection of gamma-ray emission has been reported toward the Coma cluster with Fermi-LAT. Assuming that this gamma-ray emission arises from hadronic interactions in the ICM, we aim at exploring the implication of this signal on the cosmic ray content of the Coma cluster. We use the MINOT software to build a physical model of the cluster and apply it to the Fermi-LAT data. We also consider contamination from compact sources and the impact of various systematic effects. We confirm that a significant gamma-ray signal is observed within the characteristic radius $ heta_{500}$ of the Coma cluster, with a test statistic TS~27 for our baseline model. The presence of a possible point source may account for most of the observed signal. However, this source could also correspond to the peak of the diffuse emission of the cluster itself and extended models match the data better. We constrain the cosmic ray to thermal energy ratio within $R_{500}$ to $X_{ m CRp}=1.79^{+1.11}_{-0.30}$\% and the slope of the energy spectrum of cosmic rays to $\alpha=2.80^{+0.67}_{-0.13}$. Finally, we compute the synchrotron emission associated with the secondary electrons produced in hadronic interactions assuming steady state. This emission is about four times lower than the overall observed radio signal, so that primary cosmic ray electrons or reacceleration of secondary electrons is necessary to explain the total emission. Assuming an hadronic origin of the signal, our results provide the first quantitative measurement of the cosmic ray proton content in a cluster.[Abridged]

研究の動機と目的

• Fermi-LATが検出したコマ銀河団方向の拡散的ガンマ線放射の起源を調査すること。
• 放射が団内物質（ICM）におけるハドロン的相互作用に起因するか、それとも点源に起因するかを特定すること。
• ハドロン的状況下でのコマ銀河団内における宇宙線陽子含量を定量的に評価すること。
• 二次電子集団の影響と、それらが観測された電波放射を説明する役割を評価すること。
• 現在および将来の観測機器による銀河団における拡散的ハドロン的ガンマ線放射の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 熱的ガス、磁場、および宇宙線を組み込んだMINOTソフトウェアを用いてコマ銀河団をモデル化。
• ROSAT X線およびPlanck tSZ観測からの制約を含めた、Fermi-LATデータのバッチ化尤度解析を実施。
• X線、tSZ、電波、銀河密度マップから2次元空間テンプレートを構築し、宇宙線陽子分布をモデル化。
• 点源（4FGL J1256.9+2736）を含め、拡張した団放射モデルをテストしてデゲネラシーを評価。
• 定常状態のハドロン的相互作用における二次電子からのシンクロtron放射を計算。
• MCMCサンプリングを用いて、宇宙線陽子の正規化およびスペクトル指数を制約。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたコマ銀河団方向のガンマ線放射は、団内物質におけるハドロン的相互作用と整合性があるか？
• RQ2 この信号の何パーセントが点源に起因し、何パーセントが拡散的団放射に起因するか？
• RQ3 コマ銀河団内における宇宙線陽子エネルギー密度は、熱的エネルギーに対してどの程度か？
• RQ4 ハドロン的相互作用で生成される二次電子は、観測された電波放射を説明できるか？
• RQ5 電波信号全体を説明するための再加速または一次電子集団の影響は何か？

主な発見

• コマ銀河団方向への拡散的ガンマ線信号が、テスト統計量TS ≃ 27（有意水準〜5.2σ）で検出され、ICM内に物理的起源があることを支持する。
• R500内での宇宙線対熱的エネルギー比はXCRp = 1.79+1.11−0.30%に制約され、これは宇宙線陽子が熱的エネルギーの約1.79%を貯蔵していることを示している。
• 宇宙線陽子スペクトルのスペクトル指数はα = 2.80+0.67−0.13であり、一般的に想定されるよりもやや硬く、弱い衝撃波による加速を示唆する可能性がある。
• 定常状態のハドロン的モデルにおける二次電子からのシンクロtron放射は、観測された電波放射のおよそ25%にとどまり、電波ハローの純粋なハドロン的起源を否定する。
• 一次宇宙線電子集団または二次電子の再加速による有意な寄与が必要であり、再加速効率は宇宙線陽子分布に従って半径に応じて増加する。
• 結果から、将来的な地上望遠鏡（例：Cherenkov Telescope Array）によるTeVエネルギー領域での銀河団内拡散的ハドロン的ガンマ線放射の検出可能性が、従来の予想よりも低い可能性があることが示唆され、検出困難である可能性が浮上する。