[論文レビュー] Particle acceleration and the origin of gamma-ray emission from Fermi Bubbles

D. O. Chernyshov, K. S. Cheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、銀河中心のブラックホールへの準周期的星降着が、電子を約10 TeVまで、陽子を10^15 eVを超えるまで加速する衝撃波を生成し、その結果としてフェルミバブルが発生すると提案している。加速された粒子は、残響放射光子との逆コンプトン散乱により観測されたガンマ線放射を生成し、複数衝撃波加速がバブルのスペクトル的特徴と空間的分布を説明する。

ABSTRACT

Fermi LAT has discovered two extended gamma-ray bubbles above and below the galactic plane. We propose that their origin is due to the energy release in the Galactic center (GC) as a result of quasi-periodic star accretion onto the central black hole. Shocks generated by these processes propagate into the Galactic halo and accelerate particles there. We show that electrons accelerated up to ~10 TeV may be responsible for the observed gamma-ray emission of the bubbles as a result of inverse Compton (IC) scattering on the relic photons. We also suggest that the Bubble could generate the flux of CR protons at energies > 10^15 eV because the shocks in the Bubble have much larger length scales and longer lifetimes in comparison with those in SNRs. This may explain the the CR spectrum above the knee.

研究の動機と目的

• フェルミ-LATが観測したフェルミバブルの拡張的ガンマ線放射の起源を説明すること。
• 繰り返し発生する星の降着から生じる衝撃波が、超高エネルギー粒子を加速できるかどうかを調査すること。
• バブル内の衝撃波が、約10^15 eVにおける宇宙線スペクトルの「へこみ」を説明できるかどうかを特定すること。
• バブル環境における粒子加速プロセスをモデル化し、電子と陽子の加速メカニズムの違いを明確にすること。
• 観測されたガンマ線スペクトルおよび空間的分布が、加速された電子からの逆コンプトン放射によってどのように説明できるかを調査すること。

提案手法

• 星の降着イベントによる周期的なエネルギー注入によって駆動される球対称かつ時間依存の衝撃波を用いて、フェルミバブル内の衝撃構造を解析的にモデル化する。
• 指数関数的密度プロファイルにおける衝撃波の自己相似解を用い、高さと時間の関数としての衝撃波の前縁の半径および位置を導出する。
• 拡散的衝撃加速理論を用いて、単一衝撃と複数衝撃の両状態における電子および陽子の加速効率を推定する。
• 電子エネルギー分布および磁場強度を用いて、相対論的電子が宇宙マイクロ波背景光子と逆コンプトン散乱する際に発生するガンマ線放射スペクトルを計算する。
• 予測されたガンマ線スペクトルおよび空間的分布を、拡散係数と衝撃注入レートを変化させながらフェルミ-LATの観測データと比較する。
• ボーム拡散限界および衝撃速度、磁場、プラズマ密度などの衝撃パラメータを用いて、加速粒子の最大エネルギーを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心における繰り返し発生する星の降着が、衝撃駆動粒子加速によって観測されたフェルミバブルを生成できるか？
• RQ2 バブル衝撃波で加速される電子の最大エネルギーは何か？ また、観測されたガンマ線スペクトルと整合するか？
• RQ3 バブル内の複数衝撃環境が、低エネルギー域でのスペクトル硬化およびガンマ線放射の高エネルギー端末を説明できるか？
• RQ4 バブル内の陽子加速が、約10^15 eVにおける宇宙線スペクトルの「へこみ」を説明できるか？
• RQ5 逆コンプトンモデルに基づくガンマ線放射の空間的分布およびスペクトル形状は、フェルミ-LATデータとどの程度一致するか？

主な発見

• 電子はバブル衝撃波で約10 TeVまで加速され、複数衝撃加速状態では100 GeV未満のエネルギー域で電子スペクトルが硬化し、Eγ < 1 GeVにおける観測されたスペクトルの平坦化を説明できる。
• ボーム拡散限界により、電子エネルギースペクトルは約3×10^13 eVで高エネルギー端末を示し、Eγ > 100 GeVにおける観測されたガンマ線端末と整合する。
• 複数衝撃加速を含めた場合、逆コンプトン散乱による予測されたガンマ線スペクトルはフェルミ-LAT観測データとよく一致し、特に放射の鋭い空間的エッジを再現できる。
• バブル衝撃波における陽子加速は10^15 eVを超えるエネルギーに達し、予測スペクトルがE^{-ν}（ν ≈ 3）の形をとるため、宇宙線スペクトルの「へこみ」を説明する有効なメカニズムである。
• 単一衝撃モデルでは観測された空間的およびスペクトル的特徴を再現できないが、自己相似解に従う衝撃分布を持つ複数衝撃モデルは、ガンマ線スペクトルおよび観測された空間的プロファイルの両方を成功裏に再現できる。
• 衝撃の年齢は約10^8年と推定され、星捕獲レートはν ~ 10^{-4}–10^{-5} yr^{-1}と推定され、観測されたバブルの形状および時間スケールと整合する。