[論文レビュー] Implications of Cosmological Gamma-Ray Absorption II. Modification of gamma-ray spectra

T. Kneiske, T. Bretz+2 more|ArXiv.org|Sep 4, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 38被引用数 223

ひとこと要約

本稿は、銀河間放射場（MRF）におけるペア生成による宇宙論的ガンマ線吸収をモデル化し、赤方偏移に依存する星形成史とUV透過率を用いてスペクトルの減衰を予測する。観測されたTeVブラークターのスペクトル、特にMkn 501、Mkn 421、H1426+428の例から、強力な赤外MRF成分が示唆され、Fazio-Stecker関係式が高赤方偏移銀河の進化とMRF成分を調べるための診断ツールとして妥当であることが確認された。

ABSTRACT

Bearing on the model for the time-dependent metagalactic radiation field developed in the first paper of this series, we compute the gamma-ray attenuation due to pair production in photon-photon scattering. Emphasis is on the effects of varying the star formation rate and the fraction of UV radiation assumed to escape from the star forming regions, the latter being important mainly for high-redshift sources. Conversely, we investigate how the metagalactic radiation field can be measured from the gamma-ray pair creation cutoff as a function of redshift, the Fazio-Stecker relation. For three observed TeV-blazars (Mkn501, Mkn421, H1426+428) we study the effects of gamma-ray attenuation on their spectra in detail.

研究の動機と目的

• 光学／紫外線領域のMRFを前向き進化モデルで、赤方偏移に依存する時間的変化をモデル化すること。
• 星形成速度とUV透過率の不確実性が、銀河間空間におけるガンマ線減衰に与える影響を評価すること。
• Fazio-Stecker関係式を用いて、高赤方偏移のブラークターにおける観測されたガンマ線カットオフエネルギーからMRFを推定する手法の有効性を検証すること。
• 宇宙論的ペア生成吸収を補正することで、3つのTeVブラークター（Mkn 501、Mkn 421、H1426+428）の固有スペクトルを特定すること。
• 高赤方偏移（z > 0.2）におけるガンマ線吸収が、宇宙論的パラメータおよびMRFモデルの変動にどれほど敏感であるかを評価すること。

提案手法

• 星形成史とUV透過率に基づき、光学〜紫外領域のMRFを半経験的かつ前向き進化モデルで再構築する。
• 深宇宙銀河調査データに基づき、赤外領域のMRFを後向き進化モデルで構築し、ダスト遮蔽銀河の寄与を制限する。
• Klein-Nishina式を用いて、光子-光子散乱におけるペア生成断面積を計算し、ガンマ線の光学的厚さを算出する。
• Fazio-Stecker関係式を用いて、観測されたガンマ線カットオフエネルギーとMRFの列密度を結びつけ、MRFの間接的測定を可能にする。
• 現在の宇宙論に整合するよう、宇宙論的パラメータをΛCDMの値に固定する：Ωm = 0.3、ΩΛ = 0.7、h = 0.65。
• MRF形状と正規化の不確実性をカバーするため、5つのMRFパラメータセット（最良適合、温いダスト、低赤外、低SFR、星形成UV、高星形成UV）をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成速度とUV透過率の変動が、銀河間空間におけるガンマ線減衰にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Fazio-Stecker関係式を用いることで、観測されたTeVブラークターのスペクトルからMRFをどの程度正確に推定できるか？
• RQ3 Mkn 501、Mkn 421、H1426+428の観測スペクトルが、MRFの赤外部および紫外部にどのような制約を課すか？
• RQ4 高赤方偏移（z > 1）において、ガンマ線吸収が紫外MRF成分にどれほど敏感に応答するか？
• RQ5 Fazio-Stecker関係式を用いることで、強化されたFIR放射や非星形成起源のUV源といった、標準MRFモデルからの逸脱を検出できるか？

主な発見

• 赤方偏移z > 0.2の源では、300 GeV以上でガンマ線減衰が顕著に現れ、高赤方偏移TeV源の未検出と整合的である。
• Mkn 501およびMkn 421のスペクトル曲がり（約6–18 TeV）は、宇宙論的ペア生成によるMRF吸収に起因し、源固有の要因によるものではない。
• Fazio-Stecker関係式によれば、10 μm以上の波長でMRFを調べるには、z < 0.02の源が必要であり、現在のデータは高エネルギー領域に限られている。
• 高赤方偏移（z > 1）においては、Fazio-Stecker関係式は赤外光子密度に感度を失うが、特にUV透過率が高い状況では紫外成分に依然として感度を示す。
• 低SFRモデルではガンマ線吸収が減少するが、現在の観測結果は高赤方偏移で星形成が平坦またはわずかに上昇する傾向を示しており、低SFR仮定よりも吸収が大きくなる。
• 50 GeV未満の検出感度（例：MAGICやECO-1000）があれば、Fazio-Stecker関係式の漸近的領域を調べられ、MRFに関するより厳密な制約が得られる。