[論文レビュー] Hard spectrum of cosmic rays in the Disks of Milky Way and Large Magellanic Cloud

A. Neronov, D. Malyshev|arXiv (Cornell University)|May 28, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

Fermi-LAT γ線データを用いて、本研究では銀河系および大マゼラン雲（LMC）のディスク領域における宇宙線（CR）スペクトルを測定し、10 GeV–1 TeVのエネルギー範囲で普遍的なCRスペクトル指数Γ ≈ 2.45を同定した。解析では、π⁰崩壊γ線成分を逆コンプトン放射およびブレムストラールーニング放射から分離し、局所的に測定されたCRスペクトルが、星形成の離散的分布および時間的変動に起因して、銀河系平均スペクトルよりもやや軟らかくなっていることが明らかになった。

ABSTRACT

The slope of the locally measured spectrum of cosmic rays varies from 2.8 for protons with energies below 200 GeV down to 2.5 for heavy nuclei with energies in the TeV-PeV range. It is not clear if the locally measured slope values are representative for those of the overall population of Galactic cosmic rays and if the slope of the cosmic ray spectrum varies across the Galaxy. We use the data of Fermi Space gamma-ray Telescope to derive a measurement of the slope of the cosmic ray spectrum across the Galactic Disk and to compare it with that of the Large Magellanic Cloud cosmic rays. A special choice of the background estimation regions allows us to single out the neutral pion decay component of the gamma-ray flux in the energy range above 10 GeV and to separate it from (a) emission from the local interstellar medium around the Solar system and (b) from the inverse Compton emission produced by cosmic ray electrons. Results. The spectrum of the pion decay gamma-ray emission from the Galactic disk in the energy band 10 GeV - 1 TeV has the slope 2.4. There is no evidence for the variation of the slope with Galactic longitude / distance from the Galactic Centre. The slope of the spectrum of cosmic rays derived from the gamma-ray data, 2.45, is harder than the slope of the locally observed cosmic ray proton spectrum. Pion decay emission from a powerlaw distribution of cosmic rays with the same hard slope also provides a fit to the gamma-ray spectrum of the Large Magellanic Cloud. Identical and hard slopes of the spectra of cosmic rays in the Milky Way and in the Large Magellanic Cloud are consistent with a straightforward theoretical model in which cosmic rays are injected by shock acceleration with the spectrum with the slope 2...2.1 which is subsequently modified by 1/3...1/2 by the energy-dependent escape of cosmic rays through the turbulent Galactic magnetic field.

研究の動機と目的

• γ線データを用いて、銀河系ディスクおよび大マゼラン雲（LMC）における宇宙線（CR）スペクトル指数を測定すること。
• 200 GeV未満の陽子に対して局所的に測定されたCRスペクトル（Γ ≈ 2.8）が、銀河系平均のCR集団を代表しているかどうかを検証すること。
• 星形成率の変動や源の分布が、局所的CR測定における空間的・時間的スペクトル軟化を引き起こすかどうかを調査すること。
• LMCにおけるCRスペクトルが銀河系と一致するかを検証し、CR注入と伝搬の普遍性を検証すること。
• 観測されたスペクトル指数が、乱流磁場内でのショック加速とエネルギー依存性のある脱出を含む標準モデルで説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 2008–2014年の6.7年間のFermi-LATデータ（P7REP応答関数およびScience Tools v9r33p0）を用いた。
• 10 GeV–1 TeVのエネルギー範囲で、逆コンプトン放射およびブレムストラールーニング放射からπ⁰崩壊γ線成分を分離するバックグラウンド推定戦略を採用した。
• ビン化された尤度解析とアパーチャー光度測定法を用い、銀河系ディスクに沿う領域およびLMCにおけるγ線スペクトルを抽出した。
• 局所的インターステラル物質（ISM）放射が少なく、電子寄与が小さい領域を選定することで、π⁰崩壊信号に対する感度を向上させた。
• 観測されたγ線スペクトルをパワー・レイ・モデルでフィットし、背後にあるCRスペクトル指数を推定した。
• 銀河系ディスクおよびLMCにおける導出されたCRスペクトル指数を比較し、一貫性と普遍性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 GeV未満の陽子に対して局所的に測定された宇宙線スペクトル（Γ ≈ 2.8）は、銀河系平均の宇宙線集団を代表しているか？
• RQ2 宇宙線スペクトル指数は、銀河系ディスク全体で変化するか、特に銀河系の経度や銀河中心からの距離に依存するか？
• RQ3 大マゼラン雲（LMC）における宇宙線スペクトルは、銀河系と一致するか。これは、普遍的な注入メカニズムを示唆するか？
• RQ4 観測された硬めのCRスペクトル（Γ ≈ 2.45）は、乱流磁場内でのショック加速とエネルギー依存性のある脱出を含む標準モデルで説明可能か？
• RQ5 局所的スペクトル軟化および変動は、宇宙線源（例：超新星、星形成イベント）の離散的空間分布および時間的変動に起因する程度はどの程度か？

主な発見

• π⁰崩壊γ線放射から導出された銀河系ディスクにおける宇宙線スペクトルは、10 GeV–1 TeVのエネルギー範囲で硬めのスペクトル指数Γ ≈ 2.45を示した。
• 銀河系ディスク全体にわたり、CRスペクトル指数の顕著な変化は認められず、平均CRスペクトルの空間的均質性が示された。
• 大マゼラン雲（LMC）におけるCRスペクトルも、銀河系と同様に硬めのスペクトル指数Γ ≈ 2.45を示し、一貫性が確認された。
• 銀河系平均のCRスペクトル（Γ ≈ 2.45）は、局所的に測定された陽子スペクトル（200 GeV未満でΓ ≈ 2.8）よりも硬く、局所的スペクトル軟化が生じていることが示された。
• 観測された普遍的スペクトル指数は、CRが硬めのスペクトル（Γ_inj ≈ 2.0–2.1）で注入され、乱流磁場内でのエネルギー依存性のある脱出（ΔΓ ≈ 1/3–1/2）によって軟化する理論的モデルと整合的である。
• 局所的スペクトル軟化は、超新星や星形成イベントなどの宇宙線源の離散的空間的・時間的分布に起因し、注入プロセス自体の内在的変動とは無関係であると結論づけられた。