[論文レビュー] Gamma Ray Emission from Merger Shocks in the Coma Cluster of Galaxies

Robert C. Berrington, C. D. Dermer|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、銀河団コマにおける合体ショックが非熱的粒子を加速し、パイオン崩壊によって検出可能なガンマ線放射を生成すると提案している。数値的ショック加速モデルを用いて、非熱的核子エネルギーが電子エネルギーを約10倍上回る場合、1年間でGLASTによる5.4σの検出が予測される。また、核子効率に依存してVERITASやHESSによる検出はわずかに可能となる。

ABSTRACT

A numerical simulation model of the injection and cooling of nonthermal particles energized by shocks formed in merging clusters of galaxies is used to fit radio and X-ray data observed from the Coma cluster of galaxies. The results are consistent with a primary merger-shock origin for both the diffuse radio halo emission and the hard X-ray excess measured with {\it Beppo-SAX} and {\it RXTE}. For equal (1%) efficiency of power injected in nonthermal protons and electrons, we predict that the Coma cluster of galaxies will be significantly detected with the space-based observatory {\it GLAST}, and marginally detectable with the ground-based $γ$-ray observatories {\it VERITAS} and {\it HESS}. Significant TeV detections are possible if the nonthermal proton intensity is greater due to a larger efficiency of nonthermal hadron acceleration, or to past merger events. The nonthermal hadronic content in Coma is also revealed by a weak, hard secondary emission component at $\sim 10$ -- 100 GHz. The spectral softening of the radio emission at large radii from the Coma cluster core derives in this scenario from the decreasing shock speed away from cluster center for an on-axis merger event. We discuss differences between merger and delayed turbulence models.

研究の動機と目的

• 合体ショック加速を用いて、コマ銀河団における拡散的電波ハローおよび硬いX線過剰を説明すること。
• クラスタ合体ショックにおける非熱的粒子の注入および冷却をモデル化し、多波長観測を再現すること。
• 核子的粒子含量に基づいて、GLAST、VERITAS、HESSによるコマ銀河団のガンマ線放射の検出可能性を予測すること。
• スペクトル的および空間的特徴を用いて、合体ショックモデルと遅延乱流モデルを区別すること。
• 過去の合体イベントが高エネルギー放射を強化する役割を果たすかを評価すること。

提案手法

• 流体の構造方程式（A19）–（A21）を用いて、衝撃波のマッハ数および流体速度を計算する、合体銀河団におけるショック加速の数値シミュレーション。
• 電波およびX線データに適合させるために、陽子および電子の両方の粒子注入効率を等しく1%としてモデル化。
• π⁰崩壊によるガンマ線放射度を計算する際、νLν = 10⁴³L₄₃(Eγ/100 MeV)^ανの関係を用い、αν = -0.2とする。
• 露出率（20%）と光子数式 Ns(>Eγ) ≈ 35 t_yr [Eγ(GeV)]^−1.04 (L₄₃/0.3) を用いて、GLASTの検出の有意性を推定。
• 点源仮定に基づき、検出の有意性 nσ ≈ 5.4 √t_yr (L₄₃/0.3) [Eγ(GeV)]^0.1 を導出。
• 軸上合体幾何におけるクラスタ中心からの距離増加に伴い衝撃速度が低下することにより、大半の半径でスペクトルの軟化が生じることを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合体ショックは、コマ銀河団で観測された拡散的電波ハローおよび硬いX線過剰を説明できるか？
• RQ2 非熱的核子が合体ショックで加速される場合、コマの期待されるガンマ線放射度はどの程度か？
• RQ3 GLASTはコマ銀河団を有意な有意性で検出可能か？どのような条件下で？
• RQ4 予測されたTeV放射は、VERITASおよびHESSによる検出可能性と比べてどうか？
• RQ5 大半の半径で観測される電波スペクトルの軟化は、合体ショック起源を支持するか？

主な発見

• 非熱的核子エネルギーが電子エネルギーを約10倍上回る場合、1年間でGLASTによるコマ銀河団の検出が5.4σの有意性で予測される。
• ガンマ線スペクトルは、GeVエネルギー域で光子指数-2.2を示し、核子的相互作用に起因するπ⁰崩壊と整合的である。
• VERITASおよびHESSは、核子加速効率が高いか、過去の合体が寄与している場合、わずかにコマを検出可能となる可能性がある。
• 軸上合体幾何において、クラスタ中心からの距離増加に伴い衝撃速度が低下することで、大半の半径で電波放射のスペクトル軟化が生じる。
• 空間的およびスペクトル的特徴を自然に説明できるため、本モデルは遅延乱流モデルよりも主に合体ショック起源を支持する。
• 非熱的核子的物質がクラスタ内に存在するため、約10–100 GHz付近に弱く硬い二次的放射成分が予測される。