[論文レビュー] Model analysis of the very high energy detections of the starburst galaxies M82 and NGC 253

E. De Cea del Pozo, Torres, D. F.+2 more|ArXiv.org|Dec 17, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、星形成銀河M82およびNGC 253における非常に高エネルギー（VHE）および高エネルギー（HE）ガンマ線放射を説明するための多波長モデルを提示している。Q-Diffuseコードの改変版を用い、既存のモデルにおける宇宙線注入効率、磁場強度、拡散 timescale などのパラメータをわずかに調整することで、VERITASおよびH.E.S.S.によるVHE検出とFermiによるHEデータを成功裏に再現した。これにより、宇宙線と周囲のガスとのハドロニクス的相互作用が、全波長域における観測されたガンマ線放射を説明していることが確認された。

ABSTRACT

In the light of recent results detecting the nearest starburst galaxies M 82 and NGC 253 at very high energy (VHE), we present a multi-wavelength model succesfully explaining their gamma-ray diffuse emission. The detection of M 82 was presented by VERITAS collaboration in the recent ICRC, while the integral flux of the fainter NGC253 has just been published by HESS Collaboration. Also, in the 2009 Fermi Symposium itself, Fermi data coming from the direction of both galaxies was released, thus confirming their detection in the high energy (HE) regime. Slight and reasonable variations in the space parameter of already published models can fully account for the HE and VHE emission coming from M 82 and NGC 253, while agreeing with previous data detected from radio to infrared. We explore these changes and the implications they have for the cosmic-ray distribution in these galaxies.

研究の動機と目的

• VERITASおよびH.E.S.S.によるM82およびNGC 253の最近のVHEガンマ線検出を、一貫性のある多波長フレームワーク内で説明すること。
• 既存の宇宙線伝搬およびハドロニクス的相互作用モデルと整合させ、観測されたVHEおよびHEガンマ線フラックスを再現すること。
• Fermi、VERITAS、H.E.S.S.からの最新の観測データを用いて、M82およびNGC 253における宇宙線分布およびエネルギー密度を制約すること。
• 超新星爆発率、CR注入効率、磁場強度といった主要な天体物理学的パラメータのわずかな変化が、電波からVHEガンマ線に至る全スペクトルエネルギー分布を再現できるかを検討すること。
• 1つの宇宙線集団が、パイオン崩壊、ブレムストラールング、および逆コンプトン放射の全観測された放射成分を説明できることを示すこと。

提案手法

• Q-Diffuseコードを用いて、エネルギー損失、二次粒子生成、ハドロニクス的相互作用を含む、陽子および電子の定常状態の拡散損失方程式を解く。
• CMBおよび赤外線フォトン場を標的にして、中性子パイオン崩壊、逆コンプトン散乱、ブレムストラールングからのガンマ線放射を計算する。
• 電波および赤外線データは、シンクロtron放射、自由自由放射、および冷たい（45 K）および温かい（200 K）ダスト放射成分を組み合わせてフィッティングする。
• VHEおよびHEフラックスに一致させるために、物理的制約内での磁場強度および拡散係数を調整し、M82では170–210 μG、NGC 253では200–270 μGの範囲をとる。
• 拡散 timescale は1–10 Myrの範囲で変化させ、NGC 253では陽子注入スペクトル指数を2.1、元のモデルでは2.3に調整した。
• 宇宙線の対流的脱出（300–600 km/s）をモデルに組み込み、特に1500 GeV以上のエネルギーを持つ粒子のエネルギー依存の脱出 timescale を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の宇宙線モデルに対するわずかな修正が、VERITASおよびH.E.S.S.によるM82およびNGC 253のVHEガンマ線検出を説明できるか？
• RQ2 観測されたVHEおよびHEガンマ線フラックスを再現するための宇宙線注入効率、磁場、拡散 timescale の必要な値は何か？
• RQ3 特に1500 GeV以上において、星形成銀河における宇宙線エネルギー密度は、のへん銀河と比べてどの程度か？
• RQ4 周囲のガスとの宇宙線のハドロニクス的相互作用が、全スペクトルエネルギー分布にわたって観測されたガンマ線放射をどの程度説明しているか？
• RQ5 距離、ガス密度、星形成率の不確実性が、多波長観測とのモデルの一貫性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 本モデルは、以前に発表されたパラメータのわずかな調整のみで、VERITASによるM82のVHEガンマ線フラックスおよびH.E.S.S.によるNGC 253のVHEガンマ線フラックスを成功裏に再現した。
• VHEエネルギー領域におけるガンマ線放射の主なメカニズムは中性子パイオン崩壊であり、低エネルギー領域では逆コンプトン散乱およびブレムストラールングからの寄与も見られる。
• M82およびNGC 253における宇宙線エネルギー密度は、1500 GeV以上で約10 eV cm⁻³に達し、のへん銀河と比べて著しく増幅された宇宙線集団であることが示された。
• M82における必要な磁場強度は170–210 μG、NGC 253では200–270 μGであり、星形成環境の予想に一致している。
• 両銀河における拡散係数は、1–10 GeVで約10²⁶–10²⁷ cm² s⁻¹と推定され、のへん銀河の値（約10²⁸ cm² s⁻¹）よりも顕著に低い。
• NGC 253では陽子対電子の一次比を30に低下させ、H.E.S.S.の積分フラックスに一致させるために注入スペクトル指数を2.1に傾斜させた。