[論文レビュー] The GeV-TeV Galactic gamma-ray diffuse emission I. Uncertainties in the predictions of the hadronic component

Timur Delahaye, A. Fiaßon+2 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Feb 3, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、半解析的2ゾーン拡散/拡散モデルを用いて、はくち系のガンマ線拡散放射のハドロン的成分における不確実性を調査する。その結果、宇宙線拡散ハローの厚さと超新星残骸の径方向分布が理論的不確実性の主な要因であることが判明し、前者はガンマ線放射度に最大±12%の変動を引き起こす。核断面積と一次宇宙線フラックスも顕著な寄与をしている。

ABSTRACT

The Galactic gamma-ray diffuse emission is currently observed in the GeV-TeV energy range with unprecedented accuracy by the Fermi satellite. Understanding this component is crucial as it provides a background to many different signals such as extragalactic sources or annihilating dark matter. It is timely to reinvestigate how it is calculated and to assess the various uncertainties which are likely to affect the accuracy of the predictions. The Galactic gamma-ray diffuse emission is mostly produced above a few GeV by the interactions of cosmic ray primaries impinging on the interstellar material. The theoretical error on that component is derived by exploring various potential sources of uncertainty. Particular attention is paid to cosmic ray propagation. Nuclear cross sections, the proton and helium fluxes at the Earth, the Galactic radial profile of supernova remnants and the hydrogen distribution can also severely affect the signal. The propagation of cosmic ray species throughout the Galaxy is described in the framework of a semi-analytic two-zone diffusion/convection model. This allows to convert the constraints set by the boron-to-carbon data into a theoretical uncertainty on the diffuse emission. New deconvolutions of the HI and CO sky maps are also used to get the hydrogen distribution within the Galaxy. The thickness of the cosmic ray diffusive halo is found to have a significant effect on the Galactic gamma-ray diffuse emission while the interplay between diffusion and convection has little influence on the signal. The uncertainties related to nuclear cross sections and to the primary cosmic ray fluxes at the Earth are significant. The radial distribution of supernova remnants along the Galactic plane turns out to be a key ingredient. As expected, the predictions are extremely sensitive to the spatial distribution of hydrogen within the Milky Way.

研究の動機と目的

• GeV-TeV範囲におけるはくち系ガンマ線拡散放射のハドロン的成分を予測する際の理論的不確実性を評価すること。
• 特に拡散と拡散のパラメータが予測されるガンマ線放射度に与える影響を評価すること。
• 宇宙線核断面積、地球における一次宇宙線フラックス、および銀河間水素の空間的分布の不確実性が予測に与える影響を調査すること。
• 超新星残骸の径方向分布と宇宙線拡散ハローの厚さに対するガンマ線放射度の感受性を特定すること。
• 今後の観測的・理論的取り組みを支援するため、最も重要なパラメータがどのように特定されるかを明らかにすること。

提案手法

• 銀河全体にわたる宇宙線伝搬を記述するため、半解析的2ゾーン拡散/拡散モデルが使用され、ガンマ線放射度の高速かつ信頼性の高い計算が可能となった。
• モデルは、拡散係数の正規化とスペクトル指数、拡散速度、および宇宙線拡散ハローの厚さ（L）と径方向拡大を含む主要パラメータの変動を組み込んでいる。
• 宇宙線伝搬モデルの理論的不確実性の上限を導出するために、ボロン/炭素比の制約が用いられ、観測データと整合性を持つように保証された。
• 新規のHIおよびCO天球マップのデコンボリューションが適用され、X_CO換算係数を含む、洗練された3次元銀河間水素分布が導出された。
• 宇宙線陽子およびヘリウム核が銀河間ガスとハドロン的相互作用を起こすことでガンマ線放射度が計算され、更新された核断面積が使用された。
• 各パラメータの系統的変動が実施され、予測される拡散ガンマ線放射度に与える個別的および複合的影響が定量化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特に拡散ハローの厚さと拡散速度の不確実性が、はくち系拡散ガンマ線放射度の予測にどのように影響するか。
• RQ2 核断面積と地球における一次宇宙線フラックスの変動が、予測されるハドロン的ガンマ線放射度にどの程度影響を及ぼすか。
• RQ3 ガリレオ平面に沿った超新星残骸の仮定された径方向分布に対するガンマ線放射度の感受性はどの程度か。
• RQ4 HIおよびCOマップから導出された3次元銀河間水素分布が、予測されるガンマ線放射度にどのように影響を与えるか。
• RQ5 はくち系拡散ガンマ線背景のハドロン的成分における理論的不確実性を支配するパラメータは何か。

主な発見

• 宇宙線拡散ハローの厚さ（L）はガンマ線放射度に顕著な影響を与える。MEDモデルの基準値から±12%の変動が生じる。
• 超新星残骸の径方向分布は大きな不確実性要因であり、銀河中心方向では最大50%、反対方向では最大70%の放射度変動を引き起こす。
• 拡散と拡散の組み合わせ効果は中程度であり、拡散速度や拡散パラメータの変化ですら、10%未満の放射度変動にとどまる。これは、1GeV未満のエネルギー領域でも同様である。
• 核断面積と地球における一次宇宙線フラックスの正規化は理論的不確実性に顕著な寄与をしているが、ハローの厚さやSNRプロファイルほど顕著ではない。
• 予測されるガンマ線放射度は3次元水素分布に極めて感受性が高く、一部の領域では、HI/COマップ処理の違いによりGALPROPとは2倍の差が生じる。
• 拡散ハローの径方向拡大は放射度にほとんど影響しない（≤6%）。一方、垂直方向の厚さは宇宙線反応のための貯留庫として機能する。