[論文レビュー] Large-Scale Diffuse Intergalactic Magnetic Fields Constraints with the Cherenkov Telescope Array

Paramita Barai, E. M. de Gouveia Dal Pino|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、遠方のブラザールからのガンマ線観測を通じて、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）を用いて、拡散的銀河間磁場（IGMF）を検出することを提案している。高エネルギー光子がブラザールから放出され、銀河間媒体で電子・陽電子対を生成するが、IGMFによる対の偏光が、GeV帯の拡張的放射（対ハロ）を形成する。CTAの向上した感度により、この放射を検出可能であり、$ 60\% $ の空間的充填率を仮定すると、$ B_{\text{IGM}} \gtrsim 10^{-16} \, \text{G} $ の下限が得られる。

ABSTRACT

Magnetic fields of the order of $μ$-Gauss are observationally detected in galaxies and galaxy clusters, which can be (at least) in part originated by the amplification of much weaker primordial seed fields. These fields should be carried out by strong galactic outflows, magnetically enriching the InterGalactic Medium (IGM). However direct observation of magnetic fields in the IGM is scarce. This talk will give a review of how Intergalactic Magnetic Field (IGMF) can be constrained using gamma-ray observations. High-energy TeV photons emitted by distant blazars can interact with the cosmic extragalactic optical/infrared/microwave background light, producing electron-positron pairs, and initiating electromagnetic cascades in the IGM. The charged component of these cascades is deflected by IGMFs, thereby reducing the observed point-like TeV flux, and creating an extended image in the GeV energy range, which can potentially be detected with $γ$-ray telescopes (Fermi-LAT, HESS, CTA). Studies (e.g., Neronov & Vovk 2010, Dolag et al. 2011) have put lower limits on the IGMF strength of the order of $10^{-16} - 10^{-15} G$, and filling factors of $60\%$. This talk will describe the constraints which the Cherenkov Telescope Array sensitivity is expected to give (CTA Consortium 2018).

研究の動機と目的

• 高エネルギーガンマ線観測を用いて、大規模な拡散的銀河間磁場（IGMF）の強度と空間的充填率を制限すること。
• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）が、宇宙空間におけるVHE光子による電磁カスケードから生じる二次的GeVガンマ線放射（対ハロ）を検出可能な感度を有するかを評価すること。
• CTAの100 GeV〜10 TeVエネルギー範囲における優れた角分解能、エネルギー分解能、感度を活用して、現在のIGMF下限を改善すること。
• TeVエネルギー光子が遠方のブラザールから放出される電磁カスケードにおける電子・陽電子対のIGMFによる偏光が引き起こす対ハロおよび対エコーを、検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• モンテカルロ法を用いて3次元の電磁カスケードをシミュレートし、VHE光子が銀河間背景光（EBL）と相互作用することで対生成をモデル化する。
• 二次的電子・陽電子対がIGMFによって偏光され、二次的GeV光子の空間的分布が変化し、空間的に拡張した対ハロが形成されることを追跡する。
• 理論的微分的角度分布を用いて、120 Mpcの距離に位置するブラザールに対して、$ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ の場合の対ハロ放射の期待流量を推定する。
• CTAの感度曲線（北半球および南半球の両サイト）とシミュレートされた対ハロ流量を比較し、0.1–5 TeVエネルギー範囲における検出可能性を評価する。
• 時間分解スペクトル解析を用いて、IGMFが$ 10^{-16} \, \text{G} $未満の場合に見られる対エコー（遅延したGeV放射）を探索する。
• 複数のブラザール（例：$ z < 0.5 $ の24個）のスタッキング解析にベイズ統計を適用し、二次的成分の非検出からIGMFの制限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）は、IGMFが存在する条件下で、VHE光子による電磁カスケードから生じる空間的に拡張したGeV放射（対ハロ）を検出可能だろうか？
• RQ2 Fermi-LATおよびHESSデータにおける二次的GeV放射の非検出から、IGMF強度および充填率にどのような下限が得られるか？
• RQ3 CTAの向上した感度および角分解能は、HESSやMAGICといった現在の機器と比較して、対ハロの検出可能性をどのように向上させるか？
• RQ4 120 Mpcの距離に位置するブラザールに対して、$ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ の場合の対ハロ放射の期待流量はどの程度であり、CTAがその構造を解像可能だろうか？
• RQ5 弱いIGMFの下で、時間遅れのあるGeV放射（対エコー）が観測可能だろうか？また、その検出に必要な感度はどの程度か？

主な発見

• CTAは、0.1–5 TeVエネルギー範囲の電磁カスケードから生じる対ハロ放射を検出可能であり、120 Mpcの距離に位置する$ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ のブラザールからのハロを検出可能な感度を有する。
• CTA南半球（I）および北半球（NB）の感度曲線は、シミュレートされた対ハロ流量を上回っており、高い検出可能性を示している。
• Fermi-LATおよびHESSデータにおける二次的GeV放射の非検出から、$ B_{\text{IGM}} \gtrsim 3 \times 10^{-16} \, \text{G} $ の下限が得られ、以前の研究と整合的である。
• Fermi-LATデータを用いた24個の低赤方偏移ブラザール（$ z < 0.5 $）のスタッキング解析から、$ B_{\text{IGM}} \sim 10^{-17} - 10^{-15} \, \text{G} $ の範囲が示唆され、ベイズ統計により非ゼロのIGMFが支持される。
• Dolagら（2011）の結果に基づき、$ 10^{-16} - 10^{-15} \, \text{G} $ 以上の磁場強度に対しては、IGMFの充填率が少なくとも60%以上に制限される。
• CTAの感度がHESS/MAGICの5–10倍向上しており、$ >1.5^\circ $ の広い視野を有するため、拡張した対ハロの構造を解像するのに特に適している。