[論文レビュー] Multi-wavelength constraints on cosmic-ray leptons in the Galaxy

E. Orlando, A. W. Strong+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、GALPROP宇宙線伝搬モデルと組み合わせて、電波、マイクロ波、ガンマ線データの多波長観測を用いて、銀河系における宇宙線レプトンスペクトルの制約を試みている。特に、WMAPおよびPlanckマップからの電波〜マイクロ波周波数帯域のシンクロtron放射が、太陽のモodulationと伝搬モデルのデゲネラシーを解消し、逆コンプトンおよびブレムストラールング過程を通じて、拡散的銀河ガンマ線放射の理解を向上させる重要な低エネルギー制約を提供することが示された。

ABSTRACT

Cosmic rays (CRs) interact with the gas, the radiation field and the magnetic field in the Milky Way, producing diffuse emission from radio to gamma rays. Observations of this diffuse emission and comparison with detailed predictions are powerful tools to unveil the CR properties and to study CR propagation. We present various GALPROP CR propagation scenarios based on current CR measurements. The predicted synchrotron emission is compared to radio surveys, and synchrotron temperature maps from WMAP and Planck, while the predicted interstellar gamma-ray emission is compared to Fermi-LAT observations. We show how multi-wavelength observations of the Galactic diffuse emission can be used to help constrain the CR lepton spectrum and propagation. Finally we discuss how radio and microwave data could be used in understanding the diffuse Galactic gamma-ray emission observed with Fermi-LAT, especially at low energies.

研究の動機と目的

• 直接測定が太陽のモodulationによって遮蔽される低エネルギー領域（数GeV未塔）における、宇宙線レプトンスペクトルの制約を改善すること。
• 電波、マイクロ波、ガンマ線観測と詳細な伝搬シミュレーションを組み合わせることで、宇宙線伝搬モデルのデゲネラシーを低減すること。
• 高緯度データを用いてレプトン由来のシンクロtron放射が銀河ディスクおよびハローに与える寄与を評価し、レプトン寄与を分離すること。
• WMAPおよびPlanckデータにおける成分分離の不確実性（特にシンクロtron、異常マイクロ波放射（AME）、自由自由放射）が、レプトンスペクトル推定および伝搬モデルパラメータに与える影響を評価すること。
• 近い将来の電波調査（例：C-BASS、SKA）および低エネルギーFermi-LATデータが、100 MeV未塔のレプトンスペクトル制約をどのように向上させるかを探索すること。

提案手法

• エネルギー損失、拡散、再加速、および宇宙間物質および放射場との相互作用を含む、GALPROPコードを用いて宇宙線伝搬をシミュレートする。
• ガス、磁場、宇宙間放射場（ISRF）の空間分解能のある分布を有する3次元銀河モデルを用い、シンクロtronおよび逆コンプトン放射を計算する。
• 408 MHzから23 GHzの周波数帯域における予測されたシンクロtron放射を、多周波数調査、WMAP 9年間のシンクロtron温度マップ、およびPlanckの成分分離マップと比較する。
• 100 MeV以上のFermi-LAT拡散ガンマ線データを用い、逆コンプトンおよびブレムストラールング過程によるレプトン由来放射の予測を検証する。
• 外部の事前情報（例：補助データからのもの）を用いた成分分離技術を適用し、WMAPおよびPlanckデータにおけるシンクロtron放射をAMEおよび自由自由放射などの他の前景から分離する。
• PAMELAおよびLATレプトン測定結果を用いて、レプトンスペクトルの高エネルギー端を固定し、シンクロtronモデリングを通じて低エネルギー領域への外挿を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波およびマイクロ波周波数帯域の銀河系拡散シンクロtron放射観測が、特に数GeV未塔の低エネルギー領域における宇宙線レプトンスペクトルをどの程度制約できるか。
• RQ2 WMAPおよびPlanckデータにおける成分分離の不確実性（特にシンクロtron対AME対自由自由放射）が、推定されるレプトンスペクトルおよび伝搬モデルパラメータに与える影響は何か。
• RQ3 電波、マイクロ波、ガンマ線データからの多波長制約が、宇宙線伝搬モデルのデゲネラシーを共同で低減させ、レプトンスペクトル再構築の精度を向上させられるか。
• RQ4 二次レプトンが観測された拡散ガンマ線放射に与える寄与は何か。多波長データを用いて、一次レプトン放射から分離可能か。
• RQ5 近い将来の電波調査（例：C-BASS、SKA）および低エネルギーFermi-LATデータは、100 MeV未塔のレプトンスペクトル制約をどのように向上させるか。

主な発見

• 高緯度領域（|b| > 10°）におけるシンクロtron放射のスペクトル指数は、伝搬効果に依存せず、数GeV未塔で急激にカットオフするレプトンスペクトルと整合的である。
• WMAP 9年間のシンクロtron温度マップとPlanckの成分分離マップには、絶対的強度に差異が見られ、WMAPのシンクロtronマップが過大評価され、Planckのマップが低く評価されている可能性を示唆しており、成分分離のデゲネラシーに起因する可能性がある。
• Planckのシンクロtronマップの強度はWMAPより低く、一方でAMEおよび自由自由放射の強度はPlanckで高くなっているため、Planckの成分分離においてシンクロtron放射が過小評価されている可能性がある。
• 408 MHzマップに3.6 Kのオフセットを組み込む（先行研究で用いられたもの）と、拡散的再加速モデルにおいて低周波数の過剰放射が増加し、結果が校正およびオフセットの仮定に極めて敏感であることが示された。
• 100 MeV未塔のガンマ線放射モデルでは、逆コンプトンおよびブレムストラールング過程が支配的であり、レプトン起源であるが、COMPTEL以降の深宇宙観測が不足しているため、これらのエネルギー領域は依然として poorly constrained である。
• C-BASS（3–15 GHz）および低エネルギーFermi-LAT pass 8データの今後の提供により、成分分離の精度が著しく向上し、低エネルギー領域におけるレプトンスペクトルの制約が厳しくなると予想される。