[論文レビュー] Particle acceleration and multimessenger emission from starburst-driven galactic winds

Enrico Peretti, Giovanni Morlino+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 110被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、星団形成駆動銀河風の終端衝撃における粒子加速を調査し、このような衝撃が約300 PeVまでの宇宙線を生成できることを示している。風バブルからの検出可能な拡散ガンマ線およびニュートリノ放射が予測され、特に300 TeV以上で支配的となり、IceCubeのデータと一致する。また、これらの源からの宇宙線フラックスは観測と整合的であり、10^17 eV近辺の銀河間宇宙線フラックスに寄与する可能性がある。

ABSTRACT

The enhanced star forming activity, typical of starburst galaxies, powers strong galactic winds expanding on kiloparsec (kpc) scales and characterized by bubble structures. Here we discuss the possibility that particle acceleration may take place at the termination shock of such winds. We calculate the spectrum of accelerated particles and their maximum energy, that turns out to range up to a few hundred petaelectronvolt (PeV) for typical values of the parameters. Cosmic rays accelerated at the termination shock are advected towards the edge of the bubble excavated by the wind and eventually escape into extragalactic space. We also calculate the flux of gamma rays and neutrinos produced by hadronic interactions in the bubble as well as the diffuse flux resulting from the superposition of the contribution of starburst galaxies on cosmological scales. Finally, we compute the diffuse flux of cosmic rays from starburst bubbles and compare it with existing data.

研究の動機と目的

• 星団形成駆動銀河風の終端衝撃が粒子加速の場として果たす役割を調査すること。
• 風バブル内でのバリオン的相互作用に起因するマルチメッセンジャ放射（ガンマ線およびニュートリノ）をモデル化すること。
• 宇宙線が星団形成風バブルから脱出する拡散フラックスを推定し、観測データと比較すること。
• 特にVHEガンマ線およびニュートリノ領域において、現在および将来の観測施設によるその放射の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 風の終端衝撃における拡散的衝撃加速（DSA）の半アナリティカルモデルを用い、衝撃パラメータおよびプラズマ状態を組み込む。
• 風バブル内での高エネルギー粒子の拡散、対流、断熱的エネルギー損失、および災難的損失を含む輸送モデルを適用する。
• 風バブル内でのppおよびpγ相互作用に起因するガンマ線およびニュートリノフラックスを計算し、標的密度および磁場を考慮する。
• 宇宙論的スケールで全星団形成銀河の重ね合わせから、宇宙線の拡散フラックスを推定する。
• 理論的予測をFermi-LAT、IceCube、および宇宙線観測所のデータ（IceTop、KASCADE-GRANDE、Tunka）と比較する。
• CTAおよびASTRIといった将来の施設を用いた検出可能性を評価し、特にVHE領域における形態的およびスペクトル的特徴に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星団形成駆動銀河風の終端衝撃における粒子加速は、数100 PeVに達する宇宙線を生成できるか？
• RQ2 星団形成銀河の重ね合わせによるガンマ線およびニュートリノの予想される拡散フラックスは何か？観測的制約と比較するとどうなるか？
• RQ3 星団形成風バブルからの宇宙線フラックスは、10^17 eV近辺の観測された銀河間宇宙線スペクトルと整合的か？
• RQ4 将来のVHEガンマ線およびニュートリノ観測所は、風バブルからの放射と中心部の星団形成核からの放射を区別できるか？
• RQ5 検出可能なニュートリノフラックスを生成するためには、星団形成風がどのような条件（例：質量損失率、衝撃強度）を満たす必要があるか？

主な発見

• 典型的なパラメータのもとで、風の終端衝撃における加速粒子の最大エネルギーは約300 PeVに達し、低エネルギー域ではスペクトルがE^-4に近い。
• 星団形成銀河からの拡散ガンマ線フラックスは、1 TeV未満では中心部の星団形成核が支配的であるが、高エネルギー域では風の寄与が同等にまで上昇する。
• 風領域からのニュートリノ放射は約300 TeVまで延び、50 TeV以上で拡散フラックスを支配し、IceCubeの観測と一致する。
• 星団形成風バブルからの拡散宇宙線フラックスは現在の観測と整合的であり、数100 PeV未満のエネルギーでピークを示す。
• モデルは、超高光度星団形成銀河、あるいはAGN活動を示す銀河が数100 PeVを超えるエネルギーの宇宙線を生成する可能性があると予測する。
• CTAおよびASTRIによる風バブルからのVHEガンマ線放射の検出は可能であり、特に赤外線光子による吸収を受けないスペクトル的特徴を介して実現可能である。