[論文レビュー] Gamma-Ray Dominated Regions: Extending the Reach of Cosmic Ray Ionization in Starburst Environments

Brian C. Lacki|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、凝縮した星形成爆発領域において、宇宙線がパイオン生成およびイオン化によって吸収され、ガンマ線が主なイオン化源となることが提案されている。これによりガンマ線支配領域（GRDR）が形成され、ガンマ線は磁場の影響を受けず、約100 g cm⁻²まで透過可能であり、イオン化率が約10⁻¹⁶ s⁻¹を維持する。このため、低イオン化状態であっても冷たく凝縮した雲内での星形成が可能となる。

ABSTRACT

Cosmic rays are appealing as a source of ionization in starburst galaxies because of the great columns they can penetrate, but in the densest regions of starbursts, they may be stopped by pion production and ionization energy losses. I argue that gamma rays are the source of ionization in the deepest molecular clouds of dense starbursts, creating Gamma-Ray Dominated Regions (GRDRs). Gamma rays are not deflected by magnetic fields, have a luminosity up to ~1/3 that of the injected cosmic rays, and can easily penetrate column depths of ~100 g/cm^2 before being attenuated by gamma-Z pair production. The ionization rates of GRDRs,

研究の動機と目的

• パイオン生成およびエネルギー損失のため、星形成爆発銀河の最も凝縮した分子雲では宇宙線によるイオン化が制限されることを解決すること。
• 宇宙線の相互作用から生成されるガンマ線が、これらの極限的環境でイオン化を維持できるかどうかを調査すること。
• 高密度列深さ領域における宇宙線支配からガンマ線支配へのイオン化の遷移をモデル化すること。
• GRDRが極端な星形成爆発におけるガス温度、星形成効率、初期質量関数に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1次元平板幾何における宇宙線およびガンマ線の放射輸送方程式を用い、吸収および散乱を考慮する。
• 雲の端縁における強度境界条件を適用し、光学厚さτによる減衰を組み込む輸送方程式を適用する。
• 宇宙線の雲内・外のフラックス比（F(0)/F(∞)）を導出し、ガンマ線イオン化が優勢になる条件を特定する。
• ガンマ線イオン化率ζγと外部宇宙線イオン化率ζ_CR^extの比を用いて、ガンマ線イオン化が宇宙線イオン化を上回る臨界列深さτ_GRDRを求める。
• 高い列深さ（>200 g cm⁻²）におけるγZ対生成およびガンマ線の自己吸収の影響を検討する。
• アンビポーラ拡散時間と自由落下時間のバランスを評価し、GRDR内での星形成の可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝縮した星形成爆発分子雲において、どの列深さでガンマ線が主なイオン化源となるか？
• RQ2 GRDR内のイオン化率は、ミルキーウェイの分子雲および宇宙線支配領域と比べてどのように異なるか？
• RQ3 GRDRにおける予想されるガス温度は何か？また、ダスト加熱および運動温度の平衡にどのように依存するか？
• RQ4 アンビポーラ拡散時間と自由落下時間のバランスを考慮すると、GRDR内では星形成が通常通り進行可能か？
• RQ5 ミリ波長帯で潜在的に不透明である場合、GRDRはどのように観測的に検出可能か？

主な発見

• ガンマ線は、注入された宇宙線の約1/3の発光度を持ち、γZ対生成による減衰で約100 g cm⁻²の列深さまで透過する。
• GRDR内のイオン化率は約10⁻¹⁶ s⁻¹であり、ミルキーウェイの分子雲と同等の値を示すが、宇宙線支配領域よりは低い。
• ダストや乱流加熱がない場合、GRDR内のガス温度は約10 Kまで低下し、高密度ではダスト温度に達する。
• GRDRにおけるアンビポーラ拡散時間と自由落下時間の比は、ミルキーウェイの核と同等であり、星形成が通常通り進行可能であることを示唆する。
• GRDRはミリ波長帯で不透明である可能性があるが、ALMAで観測される近距離の星形成爆発領域では、分子線の影として現れる可能性がある。
• 低 Jeans 質量のため、GRDR内での星形成は通常の初期質量関数、あるいは逆に下端が重い初期質量関数を示す可能性がある。