[論文レビュー] Gamma Rays, Electrons, Hard X-Rays, and the Central Parsec of the Milky Way

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、複数波長の赤外線データを用いて、銀河中心の中心パーセクにおける異方的光子場の現象論的モデルを構築し、$̳\gamma\gamma\rightarrow e^{+}e^{-}$反応による逆コンプトン散乱およびガンマ線の減衰を正確に計算可能にする。このモデルにより、NuSTARが観測したTeVガンマ線およびハードX線が、パルサーまたは一時的源に由来する高エネルギー電子によって一貫して説明可能であることが示され、ダークマターおよびニュートリノ探索に影響を及ぼす。

ABSTRACT

The complex interplay of processes at the Galactic Center is at the heart of numerous past, present, and (likely) future mysteries. We aim at a more complete understanding of how spectra extending to >10 TeV result. We first construct a simplified model to account for the peculiar energy and angular dependence of the intense central parsec photon field. This allows for calculating anisotropic inverse Compton scattering and mapping gamma-ray extinction due to gamma gamma -> e^+ e^- attenuation. Coupling these with a method for evolving electron spectra, we examine several clear and present excesses, including the diffuse hard X-rays seen by NuSTAR and GeV gamma rays by Fermi. We address further applications to cosmic rays, dark matter, neutrinos, and gamma rays from the Center and beyond.

研究の動機と目的

• NuSTARが銀河中心で検出した拡散的ハードX線（40 keV以上）の起源を解明すること。これは標準的な低エネルギー源では説明できない。
• 中心パーセクの空間的に変化する光子場における高エネルギー電子の異方的逆コンプトン散乱をモデル化すること。
• 銀河中心の高エネルギーガンマ線の減衰に、$̳\gamma\gamma\rightarrow e^{+}e^{-}$対生成が果たす役割を評価すること。
• Fermi-LATが観測したGeVガンマ線過剰に、パルサー風電子がどの程度寄与しているかを評価すること。
• 高エネルギー電子集団、ガンマ線およびX線放射、および潜在的なダークマターまたはニュートリノ信号との関連を探索すること。

提案手法

• Herschel、SOFIA、ISOの赤外線データを用いて、温度と放射領域でパrameter化された、空間的に分解されたエネルギーおよび角度依存の光子場を構築する。
• キーン・ニシナ断面積を適用し、逆コンプトン散乱の方向依存性をモデル化する。特に、頭破壊衝突によるエネルギー移動の増幅を考慮する。
• 光子場の異方性と経路長を主要変数として、$̳\gamma\gamma\rightarrow e^{+}e^{-}$対生成に起因するガンマ線の減衰を計算する。
• 時間に依存する輸送モデルを用いて、中心領域における電子のエネルギー損失と放射を再現する。
• 予測された逆コンプトン放射およびシンクロtron放射を、NuSTARのハードX線データおよびFermi-LATのGeVガンマ線データと比較する。
• モデルを用いて、PWN G359.95–0.04などの観測されたTeVガンマ線源との整合性を評価し、過去の噴出を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NuSTARが銀河中心で検出した拡散的ハードX線放射は、高エネルギー電子からの逆コンプトン散乱によって説明可能か？
• RQ2 中心パーセクにおける赤外光子場の異方性は、高エネルギー電子の観測される逆コンプトンスペクトルにどのように影響するか？
• RQ3 Fermi-LATが観測した10 GeVのガンマ線過剰は、ダークマターではなく、パルサー由来の電子集団に起因する程度はどの程度か？
• RQ4 銀河中心の高密度光子場において、$̳\gamma\gamma\rightarrow e^{+}e^{-}$対生成に起因する予想されるガンマ線減衰はどの程度か？
• RQ5 観測されたハードX線およびガンマ線放射は、一時的源またはパルサーに由来する単一の高エネルギー電子集団によって一貫して説明可能か？

主な発見

• モデルは、赤外線成分を空間的に分解して組み合わせることで、銀河中心の放射の広帯域スペクトルおよび形状を再現する。
• 異方的逆コンプトン散乱は、光子場が強い方向に沿って強い放射を示す方向依存のガンマ線スペクトルをもたらす。
• 40 keVを超えるNuSTARが観測したハードX線放射は、妥当な電子注入スペクトルを仮定すれば、ローレンツ因子約100 TeVの電子からの逆コンプトン放射と整合する。
• 銀河中心で観測されたGeVガンマ線過剰は、既知のパルサー風ネビュラに一致するパrametersを持つパルサー風電子集団によって説明可能である。
• 最近のTeVガンマ線噴出が、電子・陽電子対の検出可能な残渣を生成した可能性があり、それらがシンクロtron放射によりハードX線放射に寄与している可能性をモデルが示唆する。
• $̳\gamma\gamma\rightarrow e^{+}e^{-}$過程による強いガンマ線減衰が観測されていないことから、現在の中心パーセクの光子場は、TeVガンマ線を顕著に抑制するには十分に密度が高くないことが示唆されるが、最近の噴出が起きた場合を除く。