[論文レビュー] Star-forming galaxies as the origin of IceCube neutrinos: Reconciliation with Fermi-LAT gamma rays

Sovan Chakraborty, Ignacio Izaguirre|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、星形成銀河（SFGs）、特に星爆銀河（SBGs）が、超新星およびハイパーノバ残骸におけるハドロン的相互作用によって、アイスカウルの拡散的高エネルギーニュートリノの主因であると提唱する。Fermi-LATのガンマ線制限との矛盾を解消するため、SBGsにおける銀河間および銀河内ガンマ線吸収が、カスケードガンマ線成分を抑制することを示し、ハドロン的ニュートリノ生成にもかかわらず、予測される拡散的ガンマ線フラックスが現在の観測限界と整合的であることを明らかにする。

ABSTRACT

Cosmic ray accelerators like supernova and hypernova remnants in star forming galaxies are one of the most plausible sources of the IceCube observed diffuse astrophysical neutrinos. The neutrino producing hadronic processes will also produce a diffuse gamma ray flux, constrained by the Fermi-LAT bounds. The fact that point sources like blazars also contribute to the diffuse gamma ray flux implies large gamma opacity of the neutrino sources. Indeed, for these high redshift star forming galaxies the gamma absorption during the intergalactic propagation can be significant. In addition, large gamma attenuation inside these extreme source galaxies can reduce the cascade component of the diffuse flux. Under the current astrophysical uncertainties affecting these absorptions processes, we find the associated diffuse gamma ray flux can remain compatible with the current Fermi-LAT bounds.

研究の動機と目的

• アイスカウルが観測した拡散的ニュートリノフラックスと、Fermi-LATが測定した等方的拡散的ガンマ線背景（IGRB）との間にある明白な矛盾を解消すること。
• 星形成銀河（SFGs）におけるハドロン的ニュートリノ生成モデルが、Fermi-LATによる拡散的ガンマ線フラックス制限と整合的であるかどうかを調査すること。
• 銀河間および銀河内ガンマ線吸収がSFGsからの拡散的ガンマ線スペクトルに与える影響を評価すること。
• SFGs、特にSBGsからの観測されたニュートリノフラックスが、IGRBと矛盾せずに一致するかどうかを評価すること。
• GeV–TeV領域における拡散的ガンマ線フラックスに顕著な過剰が観測されていないという事実が、SFGsがアイスカウルニュートリノの起源であるのを排除するものかどうかを検討すること。

提案手法

• 超新星残骸（SNRs）およびハイパーノバ残骸（HNRs）からの寄与を用いて、SFGsからの拡散的ニュートリノフラックスをモデル化する。これらはハドロン的相互作用によるパイオン崩壊によってニュートリノを生成する。
• 同じハドロン的過程における中性パイオン崩壊から生じる関連する拡散的ガンマ線フラックス（一次ガンマ線成分）を計算する。
• 特に高赤方偏移のSBGsに対して、宇宙マイクロ波背景（CMB）および外部銀河背景光（EBL）とのγγ相互作用による銀河間ガンマ線吸収を含める。
• 高い光子密度と強い磁場によるSBGs内でのガンマ線吸収を組み込み、e±ペアのシンクロtron放射によってカスケード成分が抑制されることを考慮する。
• 銀河間および銀河内吸収を含めた全予測拡散的ガンマ線フラックス（一次およびカスケード成分を含む）を、Fermi-LATのIGRB制限、特に約14–32％の非Blazar寄与制限と比較する。
• 近傍のSBGsからの観測データを用いて、高赤方偏移のSBGsのサイズ、密度、磁場強度に関する仮定を設定し、これらを保守的な推定値として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウルの拡散的ニュートリノのハドロン的起源が、Fermi-LATの拡散的ガンマ線背景限界と整合的であるか。
• RQ2 銀河間ガンマ線吸収が、高赤方偏移星爆銀河からの拡散的ガンマ線フラックスのカスケード成分をどの程度抑制するか。
• RQ3 高い光子密度および磁場によるSBGs内でのガンマ線吸収が、予測される拡散的ガンマ線スペクトルにどのように影響を与えるか。
• RQ4 銀河内吸収によるカスケード成分の抑制が、観測されたニュートリノフラックスとIGRB上界との間の矛盾を緩和するか。
• RQ5 100 TeV付近のニュートリノスペクトルの折りたたみ（スペクトルブレーク）が、ガンマ線よりも吸収に影響されにくいことから、SFG起源モデルのより強固なテストとして有効であるか。

主な発見

• 銀河間および銀河内ガンマ線吸収の併合効果により、星爆銀河からの拡散的ガンマ線フラックスのカスケード成分が顕著に抑制される。
• 興味深いことに、SBGs内の高い磁場がe±ペアのシンクロtron放射を強化し、結果としてGeV–TeV領域のガンマ線フラックスを増加させるのではなく、さらに抑制することが判明した。
• 現在の天体物理学的不確実性を考慮しても、SFGsからの全予測拡散的ガンマ線フラックスは、Fermi-LATのIGRB制限と整合的であり、特に非Blazar成分の制限（約14–32％）と一致する。
• GeV–TeV領域における拡散的ガンマ線フラックスに顕著な過剰が観測されていないという事実は、SFGsがアイスカウルの拡散的ニュートリノの主因であるのを排除するものではない。
• SNRとHNRの寄与が明確に異なるモデルで予測される100 TeV付近のニュートリノスペクトルの折りたたみは、吸収の影響を受ける程度が低いため、宇宙ニュートリノの真の起源を検証するより強固なプローブである。
• 本研究の結論として、SFGsがアイスカウルニュートリノと関連するマルチメッセンジャー像は依然として妥当であり、現在の天体物理学的仮定のもとでは、Fermi-LATとの間の明白な矛盾は統計的に有意ではない。