[論文レビュー] The origin of the Fermi-LAT $γ$-ray background

Mattia Di Mauro|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、2FHL Fermi-LATカタログの光子揺らぎ解析から導かれた結果として、Blazar（特に未分解の非対称な活動銀河核、BL LacおよびFSRQ）が50 GeV以上の銀河間ガンマ線背景の86% (+16/-14%)を占めることを示している。この研究では、集団合成を用いて等方的拡散ガンマ線背景（IGRB）を解明し、高エネルギー領域における他の源や拡散過程の寄与を16%未満に制限した。

ABSTRACT

The origin of the Isotropic Diffuse $γ$-Ray Background (IGRB) is one of the most intriguing mystery in astrophysics. Recently the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-Ray Space Telescope has measured the IGRB spectrum from 100 MeV to 820 GeV. Thousands of extragalactic sources are detected at $γ$-ray energies and, thanks to Fermi-LAT catalogs and to population studies, we show that the IGRB can be explained, in the entire energy range, by the $γ$-ray emission from unresolved misaligned Active Galactic Nuclei, blazars and Star Forming Galaxies. Finally we derive, with a dedicated analysis based on the 2FHL Fermi-LAT catalog at $E>50$ GeV, the intrinsic source count distribution of blazars and demonstrate that this source population explains the $86^{+16}_{-14}\%$ of the total extragalactic $γ$-ray background.

研究の動機と目的

• Fermi-LATが100 MeVから820 GeVのエネルギー範囲で測定した等方的拡散ガンマ線背景（IGRB）の起源を特定すること。
• 未分解の銀河外源集団（特にBlazar）が観測されたIGRBおよび銀河間ガンマ線背景（EGB）を説明できるかどうかを評価すること。
• カタログの感度閾値未満のfluxまでにまで及ぶ2FHLカタログにおけるBlazarの固有の源数分布（dN/dS）を、光子揺らぎ解析を用いて導出すること。
• 50 GeV以上のエネルギー領域における他の源集団および拡散過程がEGBに与える寄与を制限すること。
• SFGガンマ線放射を通じて、ダークマターの消失／崩壊および天体物理学的ニュートリノ起源に与える影響を評価すること。

提案手法

• 80か月分のPass 8データを用いて得られた2FHL Fermi-LATカタログ（50 GeVから2 TeV、360個の検出源を含む）を用いた。
• 光子揺らぎ解析を適用し、カタログ感度閾値未満のfluxまでにまで及ぶBlazarの固有の源数分布（dN/dS）を推定した。
• flux S に関数して定義される検出感度 ω(S) を計算し、約1×10⁻¹¹ ph cm⁻² s⁻¹で10–20%に低下するようにし、観測されたdN/dSをそれに応じて補正した。
• 補正された固有のdN/dSを統合し、50 GeV以上のエネルギー領域における点源がEGBに寄与する全fluxを計算した。
• Ackermannら（2014）が提示したEGB全強度と比較し、Blazarからの寄与割合を特定した。
• 導出された固有の源数分布を用いて、5mCrab感度を有する将来の機器（CTA）における源数を予測した（240時間の観測期間を想定）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 GeV以上のエネルギー領域における銀河間ガンマ線背景（EGB）は、未分解のBlazarによって完全に説明可能か？
• RQ2 カタログ感度閾値未満のfluxまでにまで及ぶ2FHLカタログにおけるBlazarの固有の源数分布（dN/dS）は、検出感度補正を経てどのように得られるか？
• RQ3 50 GeV以上のエネルギー領域における他の源集団（例：SFG、パulsars、MAGNs）や拡散過程がEGBに与える寄与はどの程度か？
• RQ4 結果が、高エネルギー領域におけるダークマターの消失または崩壊によるガンマ線背景への寄与をどの程度制限するか？
• RQ5 導出された固有の源数分布に基づいて、Cherenkov Telescope Array（CTA）が50 GeV以上のエネルギー領域で240時間の観測期間中に検出可能な源数はどの程度か？

主な発見

• 2FHLカタログにおけるBlazarの固有の源数分布が、カタログ感度閾値未満のおおよそ1桁低いfluxまでにまで成功して導出された。
• 点源（主にBlazarが支配的）による全flux寄与は、50 GeV以上の銀河間ガンマ線背景（EGB）の86% (+16/-14%)を占める。
• これは、他のすべての源集団および拡散過程がEGBに50 GeV以上で最大14% (+14/-16%)しか寄与できないことを示唆する。
• 86% (+16/-14%)の解像度は、IGRBの代替的説明（例：ダークマターの消失・崩壊、星形成銀河からのハドロン的放射）を強く制限する。
• モデルでは、CTAが240時間の観測期間で空の1/4の領域において約200 ± 45個の源を検出できると予測された。
• 異なる銀河的拡散放射モデルや源fluxモデリングにおける系誤差に対しても、結果は安定している。