[論文レビュー] The interstellar environment in the outer Galaxy as seen in gamma rays by Fermi

L. Tibaldo, I. A. Grenier+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2010

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

ひとこと要約

本研究では、フェルミLATガンマ線データを用いて、外銀河における宇宙線（CR）密度および分子ガス校正係数（X_CO）をマッピングし、標準的な伝搬モデルが予測するよりもフラットなCR発光度勾配を明らかにした。Gouldベルトから局所スパイラルにかけてX_COが2倍に増加するが、ペルセウススパイラルへはさらなる変化は認められず、観測と理論の整合性をとるには、大きなCRホール高度（10 kpc以上）または平坦なCR源分布が必要であると示唆している。

ABSTRACT

Gamma-ray emission produced by interactions between cosmic rays (CRs) and interstellar gas traces the product of their densities throughout the Milky Way. The outer Galaxy is a privileged target of investigation to separate interstellar structures seen along the line of sight. Recent observations by the Fermi Large Area Telescope (LAT) shed light on open questions of the EGRET era about the distribution of CR densities and the census of the interstellar medium. The gradient of gamma-ray emissivities measured in the outer Galaxy is significantly flatter than predictions from widely used CR propagation models given the rapid decline of putative CR sources beyond the solar circle. Large propagation volumes, with halo heights up to 20 kpc, or a flat CR source distribution are required to match the data. Other viable possibilities include non-uniform CR diffusion properties or more gas than accounted for by the radio/mm-wave data. Gamma-ray data constrain the evolution of the Xco=N(H2)/W(CO) ratio within a few kpc from the Sun. There is a significant increase by a factor 2 from nearby clouds in the Gould Belt to the local spur. No further significant variations are measured from the local spur to the Perseus spiral arm. At the level of statistical accuracy provided by the LAT data, the most important source of uncertainty, often overlooked so far, is due to the optical depth correction applied to derive the column densities of H I. Reliable determinations of the amount of atomic gas in the plane are key to better probe the properties of CRs in the Galaxy.

研究の動機と目的

• フェルミLATのガンマ線発光度を用いて、外銀河における宇宙線（CR）密度を測定すること。
• ガンマ線および電波/ミリ波データを用いて、異なる銀河的領域におけるX_CO比（N(H₂)/W_CO）を校正すること。
• 観測されたガンマ線発光度とCR伝搬モデルの予測を比較することで、宇宙線勾配問題を解消すること。
• H I光学的厚さ補正の影響がガス質量密度測定およびCR発光度の不確実性に与える影響を評価すること。
• ダークガスや非一様拡散の役割が、観測とモデルの乖離を説明するにあたって果たす役割を評価すること。

提案手法

• フェルミ大面積望遠鏡（LAT）のガンマ線データを用い、第2および第3銀河象限の複数の領域で、水素原子あたりのガンマ線発光度（q_HI）およびCO線強度あたりの発光度（q_CO）を抽出した。
• 尤度に基づく成分分離法を適用し、原子ガスおよび分子ガスとのCR相互作用に起因するガンマ線発光を分離した。
• X_COを q_CO / (2 × q_HI) として計算し、ガラクティック中心からの距離に応じた分子ガス質量換算係数を導出した。
• GALPROPコードを用いてCR伝搬をモデル化し、観測された発光度勾配に一致するように、ホール高度および源分布プロファイルを変化させた。
• T_S値の範囲を変えてテストすることで、H Iスピン温度および光学的厚さ補正の不確実性がN(H I)およびq_HIに与える影響を検討した。
• Strongら（2000年）およびNakanishi & Sofue（2003年）の予測と比較することで、X_COおよびCR源モデルの妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線発光度で示される外銀河における宇宙線密度の半径勾配はいかほどか？
• RQ2 X_CO比はガラクティック中心からの距離に応じてどのように変化するのか？ これは分子ガス質量推定にどのような意味を持つのか？
• RQ3 なぜ観測されたガンマ線発光度勾配が、標準的なCR伝搬モデルの予測よりもフラットなのか？
• RQ4 H I光学的厚さ補正の不確実性が、CR発光度測定の信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 観測とシミュレーションを一致させるために、どのCR伝搬パラメータ（例：ホール高度、源分布）が必要とされるのか？

主な発見

• 水素原子あたりのガンマ線発光度（q_HI）は、R ≈ 11 kpcを超える領域で顕著な勾配を示さず、外銀河における宇宙線密度分布が顕著にフラットであることを示している。
• Gouldベルト（8.5–8.8 kpc）から局所スパイラル（8.8–10 kpc）にかけてX_CO比が2倍に増加するが、ペルセウススパイラル（R ≈ 14 kpc）へはさらなる顕著な変化は認められない。
• 観測されたX_CO値は、バーチャル質量に基づくNakanishi & Sofue（2003年）の予測よりも系統的に低く、Strongら（2000年）が提案した桁違いの増加を支持しない。
• 太陽円の外縁で源分布が低下する標準的なCR伝搬モデルでは、フラットな発光度勾配を再現できないため、10–20 kpcのホール高度またはR ≈ 10 kpc以降の平坦な源分布が必要となる。
• q_HIの誤差予算において、H I光学的厚さ補正の不確実性が支配的であり、ガス質量およびCR密度決定においてその重要性が浮き彫りになっている。
• 非一様拡散や外ディスクにおける未考慮のダークガスといった代替的説明も、観測とモデルの乖離に寄与している可能性がある。