[論文レビュー] The positron density in the intergalactic medium and the galactic 511 keV line

A. Vecchio, Vincent, A. C.+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、銀河系外の活動銀河核（AGN）ジェットおよびラジオローブから生成された positron が、銀河間物質（IGM）に放出され、後に銀河系に降着することで、観測された511 keVガンマ線ライン放射に寄与すると提案している。宇宙ラジオ背景を代理指標として用いることで、IGMにおける positron 対電子比は最大で約10⁻⁵であると推定され、観測された511 keV放射度を説明するには約10⁻⁶の割合でも十分であることが示されている。球対称降着モデルにより、銀河の核部に集中した放射の分布が再現可能である。

ABSTRACT

The 511 keV electron-positron annihilation line, most recently characterized by the INTEGRAL/SPI experiment, is highly concentrated towards the Galactic centre. Its origin remains unknown despite decades of scrutiny. We propose a novel scenario in which known extragalactic positron sources such as radio jets of active galactic nuclei (AGN) fill the intergalactic medium with MeV e+e- pairs, which are then accreted into the Milky Way. We show that interpreting the diffuse cosmic radio background (CRB) as arising from radio sources with characteristics similar to the observed cores and radio lobes in powerful AGN jets suggests that the intergalactic positron-to-electron ratio could be as high as 10^{-5}, although this can be decreased if the CRB is not all produced by pairs and if not all positrons escape to the intergalactic medium. Assuming an accretion rate of one solar mass per year of matter into the Milky Way, a positron-to-electron ratio of only 10^{-7} is already enough to account for much of the 511 keV emission of the Galaxy. A simple spherical accretion model predicts an emission profile highly peaked in the central bulge, consistent with INTEGRAL observations. However, a realistic model of accretion with angular momentum would likely imply a more extended emission over the disk, with uncertainties depending on the magnetic field structure and turbulence in the galactic halo.

研究の動機と目的

• 銀河系外の源、例えばAGNジェットで生成された positron が、銀河系の511 keVライン放射に寄与しうるかを調査すること。
• 観測された宇宙ラジオ背景（CRB）の性質に基づいて、IGM内における positron 対電子比を推定すること。
• IGM内 positron が銀河系に降着するプロセスをモデル化し、511 keV消失放射への寄与を評価すること。
• 球対称降着モデルが、観測された511 keV放射の核部に集中した形態を再現できるかを評価すること。
• 磁場および角運動量が、銀河内 positron 消失の空間的分布に与える影響を検討すること。

提案手法

• AGNジェットおよびローブ内の相対論的電子-positron対からの非熱的シンクロtron放射として宇宙ラジオ背景（CRB）をモデル化し、IGM内 positron 対電子比を推定する。
• 観測されたCRBスペクトル（T_radio ∝ ν^−2.6）および光度関数の外挿を用いて、IGM内における全対粒子密度を推定する。
• IGM内 positron のエネルギー依存冷却時間スケールを適用し、中間エネルギーの positron が宇宙論的スケールで生存可能であることを示す。
• 銀河系へのIGM物質の球対称降着を仮定し、1 M☉/yrの降着率を用いて、核部における positron 消失率を計算する。
• Jean ら（2006）の positronium 形成率（100%）を用いて、消失による511 keVライン放射度を計算する。
• 球対称モデルによる予測放射分布を、INTEGRAL/SPI観測と比較し、特に核部集中度および緯度依存性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ラジオ背景は、銀河系外の電子-positron対からのシンクロtron放射で説明可能か？ その場合、IGM内 positron 密度にどのような含意があるか？
• RQ2 CRB観測と整合する最大のIGM内 positron 対電子比は何か？
• RQ3 IGM内 positron 分数が約10⁻⁶であれば、銀河系の観測された511 keV放射度を説明できるか？
• RQ4 単純な球対称降着モデルは、観測された511 keV放射の銀河核部への集中を再現できるか？
• RQ5 銀河ハロー内の角運動量および磁場構造が、511 keV放射の予測形態に与える影響は何か？

主な発見

• 宇宙ラジオ背景がAGNジェットおよびローブからのシンクロtron放射に起因すると仮定した場合、IGM内 positron 対電子比の最大値は約10⁻⁵であると示唆される。
• IGM内 positron 分数がわずか約10⁻⁶であっても、観測された511 keV放射度（約2×10⁴³個/秒）を説明するのに十分である。
• 球対称降着モデルは、銀河核部に強く集中した511 keV放射分布を予測し、INTEGRAL/SPI観測と整合的である。
• 観測された核部集中度は球対称モデルにおいても安定に再現可能であるが、角運動量を伴う現実的な降着では、放射が銀河ディスクに広がり、中心部の放射度が低下する可能性がある。
• 銀河ハロー内の磁場構造は、positron の軌道および消失位置にさらなる影響を及ぼす可能性があり、特にダイポール成分が存在する場合には核部放射を強化する可能性がある。
• 今後の小スケールラジオフラクチュエーション測定により、宇宙論的AGN集団がCRBを担っているかどうかを検証でき、その結果としてIGM内 positron 集団の存在を裏付ける手がかりが得られる可能性がある。