[論文レビュー] Revisiting the Indication for a low opacity Universe for very high energy gamma-rays

M. Meyer, D. Horns+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、更新されたVHEガンマ線スペクトルと複数の銀河間背景光（EBL）モデルを用いて、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線に対する低濃度の宇宙の指示を再評価する。2.6–4.3σの有意水準で持続的な対生成異常（PPA）が確認され、標準的なEBLモデルが予測するよりも宇宙が透明である可能性を示唆している。特に、遠方のブラザールから得られた高い光学的厚さ測定値を考慮すると顕著である。

ABSTRACT

Very high energy (VHE, energy >~ 100 GeV) γ-rays undergo pair production with photons of the extragalactic background light (EBL). Thus, the intrinsic γ-ray flux of cosmological sources is attenuated and the Universe should be opaque to γ-rays above a redshift dependent energy. Recently, an indication has been found that the Universe is more transparent than predicted by a lower-limit EBL model. Here, this indication is confronted with additional VHE γ-ray spectra and different EBL models. Depending on the model for the opacity, the indication persist between a ~2.6 σ and ~4.3 σ confidence level.

研究の動機と目的

• 新たに発表されたVHEガンマ線スペクトルを追加した場合、以前に報告されたVHEガンマ線に対する低透過率の宇宙の指示が依然として有効であるかどうかを評価すること。
• 異なる銀河間背景光（EBL）モデル（それぞれ異なる透過率予測を伴う）を用いた場合の対生成異常（PPA）の頑健性を評価すること。
• PPAが主に遠方の源における高い光学的厚さ測定値（τ ≥ 2）によって駆動されているかどうかを特定すること。
• PPAがFermi-LATデータからの独立的なEBL制約および理論的モデルと整合しているかどうかをテストすること。
• アキソン様粒子の振動やキャスケード放射といった、観測された透過率を説明する可能性のある物理的メカニズムを検討すること。

提案手法

• 吸収補正済みVHEガンマ線スペクトルの残差に対してスチューデントのt検定を適用し、平均残差が0から著しく逸脱しているかどうかを評価する。
• 3つのEBLモデルを用いる：KD EBL（下限）、FRV EBL、およびDominguezら（2011）のEBL。それぞれがVHEガンマ線減衰の異なるレベルを予測する。
• EBL密度の低減推定を補正するため、光学的厚さに1.3のスケーリング係数を適用する。これは、先行するFermi-LATフィット結果に基づく。
• 全スペクトルと、KD EBLモデルで光学的厚さが≥2のスペクトルのサブセットを分析し、高減衰領域を分離する。
• 残差分布の光学的厚さ依存性のトレンドを可視化するためにLOESSスムージングを用いる。
• モデルとスケーリング係数を横断的に比較し、PPA有意水準の安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しく発表されたVHEガンマ線スペクトルを含めた場合、VHEガンマ線に対する低透過率の宇宙の指示は依然として成立するか？
• RQ2 異なるEBLモデル（それぞれ異なる透過率予測を伴う）を用いた場合、対生成異常（PPA）の有意水準はどのように変化するか？
• RQ3 PPAは主に遠方のブラザール源における高い光学的厚さ測定値（τ ≥ 2）によって駆動されているか？
• RQ4 光学的厚さに1.3のスケーリングを適用した場合、PPAの有意水準はどの程度低下し、これは独立したFermi-LAT制約と整合的か？
• RQ5 もしPPAが系統的誤差ではなく実在の現象であるならば、観測された透過率を説明する可能性のある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 最小減衰のKD EBLモデルと全スペクトルを用いた場合、対生成異常（PPA）は4.3σの有意水準で依然として存在する。
• KD EBLモデルで光学的厚さτ ≥ 2のスペクトルのみを考慮した場合、PPAの有意水準は2.61σに低下し、高光学的厚さ測定値が異常の主な駆動要因であることが示唆される。
• FRV EBLモデルを用いた場合、PPAの有意水準は1.3のスケーリングなしで2.60σ、1.3のスケーリングありで3.50σとなり、EBL密度の上昇に伴い有意水準が中程度に低下することが確認された。
• KD EBLモデルに1.3のスケーリングを適用した場合、PPAの有意水準は2.04σに低下し、テストした全モデルの中で最も低かったが、これはFermi-LAT制約（スケーリング0.90 ± 0.19）と矛盾する。
• 残差分布には、光学的厚さの増加に伴い一貫した正のトレンドが見られ、光学的厚い領域のデータ点がモデル予測から一貫して逸脱していることを示している。
• 異常は特に光学的厚い領域（τ ≥ 2）で顕著であり、モデルが強い減衰を予測するが、観測された残差は依然として正であり、予想されるよりも減衰が小さいことを示唆している。