[論文レビュー] Implications of Cosmological Gamma-Ray Absorption - I.Evolution of the Metagalactic Radiation Field

T. Kneiske, K. Mannheim+1 more|ArXiv.org|Feb 5, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用数 85

ひとこと要約

本論文は、光学的銀河サーベイと星形成歴を用いて、進化するメタギャラクティック放射場（MRF）のための準経験的モデルを開発する。このモデルは、遠赤外（far-IR）から紫外（UV）域にかけての銀河間背景光（EBL）を予測する。本研究では、高赤方偏移（z ~ 5）における高エネルギーガンマ線の減衰推定を可能にするために、赤外線で強く遮蔽された赤外発光銀河（LIRGs）を含めることで、長年の遠赤外EBLの不足を解消し、観測結果との一致を著しく向上させた。

ABSTRACT

Gamma-ray absorption due to gamma-gamma-pair creation on cosmological scales depends on the line-of-sight integral of the evolving density of low-energy photons in the Universe, i.e. on the history of the diffuse, isotropic radiation field. Here we present and discuss a semi-empirical model for this metagalactic radiation field based on stellar light produced and reprocessed in evolving galaxies. With a minimum of parameters and assumptions, the present-day background intensity is obtained from the far-IR to the ultraviolet band. Predicted model intensities are independent of cosmological parameters, since we require that the comoving emissivity, as a function of redshift, agrees with observed values obtained from deep galaxy surveys. The far-infrared background at present day prediced from optical galaxy surveys falls short in explaining the observed one, and we show that this deficit can be removed by taking into account (ultra)luminous infrared galaxies (ULIGs/LIGs) with a seperate star formation rate. The accuracy and reliability of the model, out to redshifts of 5, allow a realistic estimate of the attenuation length of GeV-to-TeV gamma-rays and its uncertainty, which is the focus of a subsequent paper.

研究の動機と目的

• 深宇宙の銀河サーベイからの観測的制約に基づき、物理的に妥当な準経験的モデルとして、進化するメタギャラクティック放射場（MRF）を構築すること。
• 予測された遠赤外の銀河間背景光（EBL）強度と観測された強度との乖離を解消すること。
• ほこりを多く含み星形成が活発な銀河（例：LIRGs）がEBLに与える寄与とその星形成歴を特定すること。
• 将来のガンマ線望遠鏡観測データによる検証を想定し、高赤方偏移におけるガンマ線減衰計算に信頼性があり、パラメータを最小限に抑えたモデルを提供すること。
• 金属量とほこりの吸収が、特に赤外域と紫外域のMRFスペクトルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 深宇宙の光学サーベイから得られた観測銀河の全光度関数と星形成率（SFR）関数を、星光の共動的発光度のモデル入力として用いる。
• Salpeterの初期質量関数と太陽金属量（Z⊙）を用いた人口合成モデル（GISSEL99）を適用し、銀河のスペクトルエネルギー分布（SED）を計算する。
• 観測されたEBL発光度のフィッティングから得られる消光パラメータを用いて、星光のほこりによる再放射を組み込む。金属量の仮定とは独立に実施する。
• 遠赤外EBL欠損を補填するため、E(B-V) = 1.0で、ISO、IRAS、SCUBAデータに基づく星形成歴（SFR_LIG）を持つ、独立した赤外発光銀河（LIRGs）の集団を導入する。
• 予測されたEBLスペクトルが、COBE FIRAS/DIRBEからの観測上限と一致するようにモデルをキャリブレーションする。また、HST/ISOサーベイからの下限値とも整合させる。
• 低金属量（Z = 0.0001）モデルを用いた感度試験を実施し、金属量がMRFに与える影響、特に紫外域と赤外域での影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的に選別された銀河に基づく標準モデルが、観測された遠赤外の銀河間背景光（EBL）強度を再現できないのはなぜか？
• RQ2 EBL観測と整合させるために、ほこりを多く含み赤外線で明るい銀河（例：LIRGs）に必要な星形成歴と全光度関数はどのようなものか？
• RQ3 金属量とほこりの吸収は、特に遠赤外域と紫外域のMRFの形状と強度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高赤方偏移（z ~ 5）におけるGeV〜TeV帯ガンマ線の減衰長を予測するために、MRFモデルをどの程度まで信頼して用いることができるか？
• RQ5 観測された銀河サーベイと最小限の仮定に基づく準経験的モデルは、第一原理の銀河形成シミュレーションに依存せずに、EBLスペクトル全体を信頼性を持って再現できるか？

主な発見

• 光学的に選別された銀河のみに基づくモデルでは、COBE FIRASおよびDIRBEからの観測上限に比べて、遠赤外EBL強度が不足している。
• E(B-V) = 1.0で、赤方偏移z ≈ 1にピークを持つ星形成歴を持つ赤外発光銀河（LIRGs）の集団を含めることで、遠赤外EBL欠損が解消され、観測結果と整合するようになる。
• LIRGsに必要なSFRは、ISO、IRAS、SCUBAデータからの独立した推定と整合しており、ピーク時の共動的SFR密度は0.10 M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³である。
• 高赤方偏移（z ~ 5）では、LIRGsの星形成率貢献が光学的銀河と同等の水準に達し、宇宙の星形成歴においてその重要性が示された。
• モデルの正確性と信頼性はz ~ 5まで延びており、次世代ガンマ線望遠鏡（例：GLAST、HESS）による検証が重要な高エネルギーガンマ線減衰長の現実的推定が可能になった。
• 感度試験の結果、金属量はMRFに顕著な影響を与えることが判明した。低金属量（Z = 0.0001）では紫外線の放射が増加し、エネルギー再分配が赤外域にシフトする。金属量の影響はEBLモデリングにおいて極めて重要である。