[論文レビュー] High-Energy Cosmology: gamma rays and neutrinos from beyond the galaxy

C. D. Dermer|CERN Bulletin|Oct 6, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、高エネルギーγ線およびニュートリノ源の統計的性質と統合輝度をモデル化する宇宙論的形式を展開し、特にビーム化された（例：GRB、ブラザール）およびビーム化されていない（例：星形成銀河、銀河団）銀河間源に焦点を当てる。イベント率および拡散的背景輝度の式を導出し、1 GeV近辺の銀河間γ線背景に対してブラザールが2–4%、GRBが10–15%を寄与することを示し、低エネルギー域での残余放射は解像度が低い源に起因している可能性が高い。

ABSTRACT

Our knowledge of the high-energy universe is undergoing a period of rapid change as new astronomical detectors of high-energy radiation start to operate at their design sensitivities. Now is a boomtime for high-energy astrophysics, with new discoveries from Swift and HESS, results from MAGIC and VERITAS starting to be reported, the upcoming launches of the gamma-ray space telescopes GLAST and AGILE, and anticipated data releases from IceCube and Auger. A formalism for calculating statistical properties of cosmological gamma-ray sources is presented. Application is made to model calculations of the statistical distributions of gamma-ray and neutrino emission from (i) beamed sources, specifically, long-duration GRBs, blazars, and extagalactic microquasars, and (ii) unbeamed sources, including normal galaxies, starburst galaxies and clusters. Expressions for the integrated intensities of faint beamed and unbeamed high-energy radiation sources are also derived. A toy model for the background intensity of radiation from dark-matter annihilation taking place in the early universe is constructed. Estimates for the gamma-ray fluxes of local group galaxies, starburst, and infrared luminous galaxies are briefly reviewed. Because the brightest extragalactic gamma-ray sources are flaring sources, and these are the best targets for sources of PeV -- EeV neutrinos and ultra-high energy cosmic rays, rapidly slewing all-sky telescopes like MAGIC and an all-sky gamma-ray observatory beyond Milagro will be crucial for optimal science return in the multi-messenger age.

研究の動機と目的

• 宇宙論的γ線およびニュートリノ源の統計的性質を計算するための形式的記述を開発すること。
• 宇宙時間にわたる未解像化されたビーム化およびビーム化されていない高エネルギー源の統合輝度をモデル化すること。
• 長期間γ線バースト、ブラザール、および星形成銀河が銀河間γ線背景に与える寄与を推定すること。
• ダークマター対消滅が測定可能な拡散的γ線背景を生成する可能性を評価すること。
• 高エネルギー一時的現象および拡散的放射を検出するための最適な標的および機器を特定することで、将来的な観測を支援すること。

提案手法

• 平坦なΛCDM宇宙論における Robertson-Walker 度様を用いて、源の進化および赤方偏移依存の等価距離をモデル化する。
• 赤方偏移に依存する発光度および時間遅延要因を含む共動的イベントレート形式を適用する。
• 等価距離、赤方偏移、および源レート密度を用いて、ステラジアンあたりの方向的イベントレートの式を導出する。
• γγ → e⁺e⁻ 反応による、高エネルギー光子の銀河間背景光（EBL）による減衰効果を組み込む。
• 初期宇宙におけるダークマター対消滅の玩具的モデルを構築し、拡散的γ線背景への寄与を推定する。
• EGRETおよびGLASTの赤方偏移およびフラックス分布データを用いて、GRBおよびブラザールからの拡散輝度を予測する形式的記述を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特にGRBやブラザールのようなビーム化された源に対して、高エネルギーγ線およびニュートリノ源の統計的分布は、宇宙時間の経過とともにどのように変化するか？
• RQ2 異なるクラス（例：GRB、ブラザール、星形成銀河）の未解像化γ線源の統合輝度は、銀河間γ線背景にどのように寄与するか？
• RQ3 50 MeVから1 GeVの間の残余拡散的γ線放射は、軟らかくブラザール源の放射または通常の銀河内での宇宙線相互作用によってどの程度説明可能か？
• RQ4 初期宇宙におけるダークマター対消滅が、高エネルギー拡散的γ線背景にどの程度の寄与を示すと予想されるか？
• RQ5 ブラザールおよびGRBの観測されたフラックスおよび赤方偏移分布は、それらの進化および発光関数をどの程度制約するか？

主な発見

• 1 GeV近辺の拡散的γ線背景（EGRB）は、FSRQ（10–15%）およびBL Lacs（2–4%）の寄与によってよく説明される。
• 未解像化ブラザールからの総予測寄与は、EGRETが測定した観測されたEGRBレベルと一致しており、ブラザール起源仮説を支持する。
• GRBはEGRBにわずかな寄与を示し、その拡散的輝度は I_γ^{GRB} ≈ 3×10⁻⁹ / λ₁₀ × ∫ dz (1+z)⁻² Σ_{GRB}(z) / √(Ωₘ(1+z)³ + Ω_Λ) （GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）として推定される。
• 軟らかくブラザール源および通常の銀河内での宇宙線相互作用が、50 MeVから1 GeVの間の残余放射を説明できる可能性がある。
• 10 GeV以上では、新しいハードγ線源集団がおそらく必要であり、EBLとのUHE電磁気的カスケードから生じる可能性がある。
• HAWCや次世代のTeV機器のような広視野望遠鏡は、TeVγ線一時的現象を検出し、GRBのような活性化源をモニタリングするのに最適である。