[論文レビュー] Local H~{\sc i} emissivity measured with the {\it Fermi}-LAT and implications for cosmic-ray spectra

J. M. Casandjian|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、4年間のFermi-LATデータを用い、10° < |b| < 70°の範囲で、H i、分子、イオン化水素、チリのテンプレートを用いたテンプレートフィッティング法により、局所的なH iガンマ線発光効率を測定した。観測された発光効率が理論的予測と一致するのは、太陽の調節効果を考慮した場合に限られ、太陽の調節効果の直接的証明を提供し、1〜100 GeV/nucleonの範囲で陽子、ヘリウム、電子・陽電子の一貫した局所イオン宇宙線スペクトルの導出を可能にした。

ABSTRACT

Cosmic-ray (CR) electrons and nuclei interact with the Galactic interstellar gas and produce high-energy $γ$ rays. The $γ$-ray emission rate per hydrogen atom, called emissivity, provides a unique indirect probe of the CR flux. We present the measurement and the interpretation of the emissivity in the solar neighborhood for $γ$-ray energy from 50~MeV to 50~GeV. We analyzed a subset of 4 years of observations from the Large Area Telescope (LAT) aboard the {\it Fermi Gamma-ray Space Telescope} ({\it Fermi}) restricted to absolute latitudes $10^o

研究の動機と目的

• Fermi-LATデータを用いて、50 MeVから50 GeVのエネルギー範囲で、局所的なH iガンマ線発光効率を測定すること。
• ガンマ線放射テンプレートを用いて、分子水素からCOへの換算係数X_COおよびチリ対ガス比X_DUSTを決定すること。
• 太陽の調節を考慮した場合に、観測された発光効率がヘルモスフィアで測定された宇宙線スペクトルと整合するかどうかをテストすること。
• LAT発光効率とヘルモスフィアデータにパラメータ化されたスペクトル形をフィットさせることで、陽子、ヘリウム、電子・陽電子の局所イオン宇宙線スペクトル（LIS）を導出すること。
• 発光効率測定における系統的不確実性を評価し、太陽の調節の力場近似の妥当性を検証すること。

提案手法

• 空間的テンプレート（原子H i、分子H2、イオン化水素（WIM）、チリ光学厚さ）を用いたFermi-LATカウントマップへのテンプレートフィッティング法を適用した。
• 銀河平面の汚染を最小限に抑えるために、|b| > 10°に制限した4年間のLATデータを用いた。
• 逆コンプトン散乱と残存する点源の寄与を差し引いた後、テンプレートの線形結合を観測されたガンマ線放射にフィットした。
• 発光効率は1水素原子あたりで導出され、ガンマ線生成断面積を用いたエネルギー依存補正が含まれた。
• 太陽の調節は力場近似を用いてモデル化され、比較のためPAMELAおよびATIC-2のヘルモスフィア宇宙線フラックスを入力とした。
• パラメータ化されたスペクトル形をLAT発光効率およびヘルモスフィアデータの両方にフィットさせ、局所イオン宇宙線スペクトル（LIS）を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の調節を考慮した場合に、測定された局所的H iガンマ線発光効率は、ヘルモスフィアで測定された宇宙線スペクトルに基づく予測と一致するか？
• RQ2 ガンマ線放射から導かれる、太陽系近傍における分子水素からCOへの換算係数X_COの値は何か？
• RQ3 発光効率は、原子状、分子状、イオン化、DNM（非可視ガス）などの異なる銀河間物質成分でどのように変化するか？
• RQ4 LAT発光効率とヘルモスフィア測定値から、陽子、ヘリウム、電子・陽電子のための一貫した局所イオン宇宙線スペクトル（LIS）を導出できるか？
• RQ5 観測された発光効率とヘルモスフィアフラックスに整合する、推定される太陽の調節ポテンシャルは何か？

主な発見

• 測定された局所的H iガンマ線発光効率は、(1.63 ± 0.05) × 10⁻²⁶ ph s⁻¹ sr⁻¹ atom⁻¹（100 MeV以上）であり、以前のLAT測定と整合的である。
• 分子水素からCOへの換算係数はX_CO = (0.902 ± 0.007) × 10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹として測定され、標準値と整合的である。
• チリ対ガス比はX_DUST = (41.4 ± 0.3) × 10²⁰ cm⁻² mag⁻¹として決定され、チリとガスの間にはきつい相関があることが示された。
• 初めて、イオン化水素（WIM）からのガンマ線放射が検出され、その空間的分布はNE2001予測とは一貫しない。
• 観測された発光効率が理論的予測と一致するのは、ヘルモスフィアの宇宙線フラックスに太陽の調節を補正した場合に限られ、その存在が間接的測定によって確認された。
• 陽子、ヘリウム、電子・陽電子の間で、1〜100 GeV/nucleonの範囲で一貫した局所イオン宇宙線スペクトル（LIS）が導出された。スペクトル指数は1σ不確実性内ではべき乗則形と一致した。