[論文レビュー] Resolving the Extragalactic Background Light with gamma-ray spectra from distant blazars

F. Aharonian|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、TeVエネルギーで検出された2つの遠方クェザー、H 2356-309（z=0.165）および1ES 1101-232（z=0.186）のハードガンマ線スペクトルを用いて、銀河間背景光（EBL）を調査した。本研究は、光学〜近赤外帯におけるEBLの上限をこれまでで最もきびしく設定し、従来の推定値よりも顕著に低いことが示され、解明済みの銀河からの最小値と整合的である。これは、高エネルギーガンマ線が銀河間空間をより透明に通過することを示唆している。

ABSTRACT

The diffuse Extragalactic Background Light (EBL) contains unique information about the epochs of formation and the history of evolution of galaxies. Unfortunately, direct measurements are subject to large systematic uncertainties due to the difficulties in the accurate model-based subtraction of the bright foregrounds. An alternative approach is based on the detection and identification of EBL absorption features in high-energy spectra of objects of known redshift. Here we exploit this method on the blazars H 2356-309 (z=0.165) and 1ES 1101-232 (z=0.186), newly discovered at TeV energies by the H.E.S.S. Collaboration. They are the most distant sources with measured spectra known so far at these energies. Their hard spectra provide the most stringent upper limit to date on the EBL in the Opt--NIR band, which appears significantly lower than expected from the current "direct" estimates and very close to the absolute lower limit represented by the integrated light of resolved galaxies. In addition to important cosmological implications, this result shows that the intergalactic space is more transparent to gamma-rays than previously thought, expanding the horizon of the TeV Universe.

研究の動機と目的

• 直接的前景減算を避けることで、EBL測定における系統的不確実性を低減すること。
• 高エネルギーガンマ線スペクトルにおけるEBL吸収特徴が、直接測定よりも信頼性の高いEBL制約を可能にするという仮説を検証すること。
• 利用可能な最も遠方のTeV源を用いて、光学〜近赤外帯におけるEBLレベルを特定すること。
• 予想よりも低いEBL密度が示す宇宙論的意味を評価すること。
• EBL吸収の不確実性を低減することで、TeV宇宙の観測範囲を拡大すること。

提案手法

• 赤方偏移が既知の2つのクェザー（z=0.165およびz=0.186）の高エネルギーガンマ線スペクトルを、H.E.S.S.がTeVエネルギー帯で検出したものを利用した。
• EBL光子との対生成によるEBL吸収の証拠を、スペクトル特徴を分析することで検出した。
• モデルに依存しないアプローチを用いて、光学〜近赤外帯におけるEBL強度の上限を導出した。
• 導出されたEBL上限を、直接観測推定値および解明済み銀河の統合光から導かれる理論的最小値と比較した。
• 観測されたスペクトルの硬さを用いて、ガンマ線の減衰が低下していることを示し、EBL密度が低いと推定した。
• 源の高い赤方偏移と硬いスペクトルを活用することで、これまでで最もきびしいEBL制約を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠方クェザーにおけるガンマ線吸収を根拠に、光学〜近赤外帯における銀河間背景光の上限は何か？
• RQ2 導出されたEBLレベルは、現在の直接測定値および解明済み銀河からの絶対最小限界と比べてどう異なるか？
• RQ3 観測されたガンマ線スペクトルは、従来の推定値よりも高い銀河間透明性をどの程度示しているか？
• RQ4 予想よりも低いEBL密度が示す宇宙論的意味は何か？
• RQ5 高赤方偏移でスペクトルが硬いTeVクェザーは、直接EBL測定の代替として信頼性の高い手法となるか？

主な発見

• 光学〜近赤外帯におけるEBLは、従来の直接推定値よりも顕著に低い水準に制限された。
• 導出された上限は、解明済み銀河の統合光によって定義される絶対最小限界に非常に近い。
• 結果は、銀河間空間が従来の予想よりもTeVガンマ線に対してより透明であることを示唆している。
• 本研究は、遠方クェザー源のスペクトル吸収特徴を用いて、これまでで最もきびしいEBL上限を確立した。
• 2つのクェザー、H 2356-309および1ES 1101-232は、TeVエネルギー帯で測定されたスペクトルを持つ最も遠方の源であり、この制約を可能にした。
• EBL吸収の不確実性を低減することで、EBL吸収の不確実性を低減することで、TeV宇宙の観測範囲が拡大された。