[論文レビュー] The Cosmological Evolution of Blazars and the Extragalactic Gamma-Ray Background in the Fermi Era

Yoshiyuki Inoue, Tomonori Totani+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、バンズスペクトルエネルギー分布（SED）シーケンスと光度依存的密度進化（LDDE）を用いて、銀河間ガンマ線背景（EGRB）の非自明なモデルを提案し、フェルミのEGRBスペクトルと優れた一致を示している。主な結果は、バンズがEGRBを支配しており、100 MeV以上のエネルギーで全フラックスの約45％を占め、非バンズAGNは低エネルギー領域で顕著な寄与をしていることである。フェルミは5年間で約1,200個のバンズを検出すると予測され、赤方偏移z ~ 6までの高赤方偏移源も含まれる。

ABSTRACT

The latest determination of the extragalactic gamma-ray background (EGRB) radiation by Fermi is compared with the theoretical prediction of the blazar component by Inoue & Totani (2009; hereafter IT09). The Fermi EGRB spectrum is in excellent agreement with IT09, indicating that blazars are the dominant component of the EGRB, and contributions from any other sources (e.g., dark matter annihilations) are minor. It also indicates that the blazar SED (spectral energy distribution) sequence taken into account in IT09 is a valid description of mean blazar SEDs. The possible contribution of MeV blazars to the EGRB in the MeV band is also discussed. In five total years of observations, we predict that Fermi will detect ~1200 blazars all sky down to the corresponding sensitivity limit. We also address the detectability of the highest-redshift blazars. Updating our model with regard to high-redshift evolution based on SDSS quasar data, we show that Fermi may find some blazars up to z~6 during the five-year survey. Such blazars could provide a new probe of early star and galaxy formation through GeV spectral attenuation signatures induced by high-redshift UV background radiation.

研究の動機と目的

• フェルミ時代のデータを用いて、バンズのSEDシーケンスが銀河間ガンマ線背景（EGRB）を予測する有効性を検証すること。
• MeVからGeVエネルギー領域における、バンズと非バンズAGNがEGRBに寄与する相対的寄与度を特定すること。
• 5年間の調査期間中にフェルミが検出可能なバンズの数を予測すること、高赤方偏移源を含むこと。
• 高赤方偏移バンズ（z ~ 6）の検出可能性を評価し、それらが高赤方偏移UV背景および初期銀河形成のプローブとしての可能性を検討すること。

提案手法

• X線AGN光度関数に基づき、バンズのSEDシーケンスと光度依存的密度進化（LDDE）を組み込んだガンマ線光度関数（GLF）モデルを構築する。
• SEDシーケンスを用いて、バンズのスペクトルエネルギー分布をモデル化し、ピーク周波数と光度が全波長光度と相関していることを仮定する。
• 赤方偏移と光度の積分を通じてGLFを統合し、宇宙論的進化および光子伝搬効果を考慮してEGRBスペクトルを予測する。
• フェルミが観測したEGRBデータ、特に100 GeVまでのスペクトル延長部分と、予測されたEGRBスペクトルを比較する。
• 1年および5年間の調査における、100 MeV以上で3×10⁻⁹および1×10⁻⁹光子 cm⁻² s⁻¹の感度限界を用いて、フェルミによる検出可能なバンズ数を推定する。
• SDSSクェーサー観測データによる高赤方偏移進化制約を用いてGLFモデルを更新し、z ~ 6までのバンズの検出可能性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンズのSEDシーケンスは、フェルミ観測と一致する非自明なEGRBスペクトルを有効に予測できるか？
• RQ2 100 MeV以上のEGRBのうち、バンズと非バンズAGNがそれぞれどの程度の割合を占めているか？
• RQ3 フェルミは5年間のミッション中に何個のバンズを検出できるか？また、期待される赤方偏移分布はどのようになるか？
• RQ4 高赤方偏移バンズ（z ~ 6）はフェルミで検出可能か？また、そのスペクトルから高赤方偏移UV背景の痕跡を明らかにできるか？

主な発見

• SEDシーケンスとLDDEモデルを用いたバンズからの予測EGRBスペクトルは、フェルミが観測したEGRBスペクトルと優れた一致を示し、モデルの妥当性が確認された。
• バンズは100 MeV以上の観測EGRBフラックスの約45％を占め、非バンズAGNは低エネルギー領域で顕著な寄与をしている。
• 100 MeV以上で1×10⁻⁹光子 cm⁻² s⁻¹の感度限界を仮定した場合、フェルミは5年間で約1,200個のバンズを検出すると予測される。
• モデルは、1 GeV以上のエネルギーでEGRBフラックスの98％以上をバンズの離散的源に分解可能であると予測しているが、非バンズAGN寄与分の0.1％未満しか分解されない。
• 赤方偏移z ~ 6までの高赤方偏移バンズはフェルミで検出可能であると予測され、GeVスペクトルの減衰を介して高赤方偏移銀河間UV背景の新しいプローブとしての可能性を示している。
• MeV領域のEGRBの主な寄与源は、従来の「MeVバンズ」とされたものではなく、非熱的コロナ電子モデルに基づく非バンズAGNであると判明した。