[論文レビュー] Stellar Photon and Blazar Archaeology with Gamma-rays

F. W. Stecker|ArXiv.org|Sep 6, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ブレザーオブジェクトスペクトルにおける高エネルギーガンマ線吸収特徴を利用して、初期宇宙における銀河間背景光（IBL）および星形成の歴史を再構築する手法、いわゆる「ブレザーオークレオジー」を提案する。GLASTによるマルチGeVガンマ線データにおける鋭いスペクトルカットオフを分析することで、過去のIBL光子密度を推定し、検出されない微弱な銀河からの星形成総率を制約可能となる。また、これらのカットオフを赤方偏移の指標として用いることで、高赤方偏移における宇宙の進化およびブレザーオブジェクト自身の進化を新たな手段で探る手がかりが得られる。

ABSTRACT

Ongoing deep surveys of galaxy luminosity functions, spectral energy distributions and backwards evolution models of star formation rates can be used to calculate the past history of intergalactic photon densities and, from them, the present and past optical depth of the universe. This procedure can be reversed by looking for sharp cutoffs in the spectra of extragalactic gamma-ray sources at high redshifts in the multi-GeV energy range with GLAST. Determining the cutoff energies of sources with known redshifts and little intrinsic absorption can enable a more precise determination of the past intergalactic photon density and thus allow a better determination of the past history of the total star formation rate, including that from galaxies too faint to be observed. Conversely, observations of sharp high energy cutoffs in the gamma-ray spectra of blazars at unknown redshifts can be used instead of spectral lines to give a measure of their redshifts. Also, given a knowledge photon densities, one can derive the intrinsic gamma-ray spectra and luminosities of blazars over a range of redshifts and look for possible trends in blazar evolution. I present some evidence hinting that TeV blazars with flatter spectra have higher intrinsic TeV gamma-ray luminosities and that there may be a correlation of flatness and luminosity with redshift. (abridged)

研究の動機と目的

• ガンマ線吸収特徴を用いて、ブレザーオブジェクトスペクトルから初期宇宙における銀河間背景光（IBL）および星形成の歴史を再構築すること。
• 高赤方偏移のブレザーオブジェクトのGLAST観測を用いて、『アーカイオ-IBL』（過去のIBL光子密度）を測定し、深宇宙調査で検出されないほどの微弱な銀河からの星形成率を探る。
• 従来のスペクトロスコピックラインに代わって、スペクトルカットオフを用いた高エネルギーガンマ線源の赤方偏移推定法を開発すること。
• ガンマ線データを用いて、ブレザーオブジェクトのスペクトル硬さ、光度、赤方偏移の間の相関関係を調査すること。

提案手法

• スパイトル、ハッブル、GALEXなどの深宇宙調査から得られる銀河の光度関数およびスペクトルエネルギー分布（SED）を逆方向進化モデル化し、過去の銀河間光子密度を推定する。
• 赤方偏移およびエネルギーの関数としての、ガンマ線対生成の光学的厚さを計算する。
• 高赤方偏移のブレザーオブジェクトにおける観測されたガンマ線スペクトルカットオフを用いて、過去の宇宙時におけるIBL光子密度（アーカイオ-IBL）を推定する。
• エネルギー依存性を持つガンマ線光学的厚さの式 τ(Eγ) ≈ ∫ dz ∫ dEphoton n(photon, z) σ_pair(Eγ, Ephoton) を用いて吸収特徴をモデル化する。
• 推定されたIBL光学的厚さと観測スペクトルをデコンボリューションすることで、内因的ブレザーオブジェクトガンマ線スペクトルを再構築する。
• GLASTの5–20 GeV範囲における感度を活用し、既知の赤方偏移を持つブレザーオブジェクトのカットオフを検出するとともに、拡散的外銀河ガンマ線背景を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移のブレザーオブジェクトにおけるガンマ線スペクトルカットオフは、より早い宇宙時代における銀河間背景光（IBL）を再構築するために利用可能か？
• RQ2 既知の赤方偏移を持つブレザーオブジェクトにおける観測されたカットオフエネルギーは、検出されない微弱銀河を含む星形成総率をどの程度制約できるか？
• RQ3 赤方偏移が不明な源における高エネルギースペクトルカットオフの鋭さは、光学的スペクトロスコピーに代わる赤方偏移の指標として利用可能か？
• RQ4 真のブレザーオブジェクト光度とTeVエネルギー領域におけるスペクトル指数との間に相関関係があるか？また、それが赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ5 GLASTが5–20 GeV範囲で数千のブレザーオブジェクトを観測することで、IBLの進化および高赤方偏移銀河におけるチリの吸収率の制約をどの程度向上できるか？

主な発見

• 本論文は、GLASTが多GeV範囲で赤方偏移 z ≥ 2 のブレザーオブジェクトを検出し、その臨界カットオフエネルギーを測定可能であると予測しており、これによりアーカイオ-IBLの直接的探査が可能になると示唆している。
• 高赤方偏移のブレザーオブジェクトスペクトルに現れる鋭いスペクトルカットオフは、主にリューマン限界（13.6 eV）での吸収に起因し、τ = 1 の近傍で光学的厚さのエネルギー依存性が急峻になる。
• この手法により、赤外線および紫外線調査で検出されないほどの微弱銀河からのIBL光子密度の過去の推定が可能となる。
• 赤方偏移が不明な源におけるカットオフの観測は、赤方偏移推定のための代替手段として利用可能であり、光学的スペクトロスコピーに代わる選択肢を提供する。
• TeVブレザーオブジェクトからの証拠は、より平坦な内因的スペクトルと高い内因的光度との間の相関関係を示唆しており、赤方偏移に伴うジェット性質の進化を示唆している。
• GLASTの5–20 GeV範囲における観測は、ガンマ線スペクトルへの紫外線光子の吸収効果を測定することで、高赤方偏移銀河におけるチリの吸収率の平均密度を制約する手がかりを提供する可能性がある。