[논문 리뷰] Beacons at the Gamma Ray Horizon

K. Mannheim, S. Westerhoff외 2명|arXiv (Cornell University)|1996. 05. 17.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 15개의 근접 블라자르(자기장 < 0.1)에서 고에너지 감마선 플럭스를 프로톤 블라자르 모델을 사용해 예측하며, 내부 흡수(동기복사 광자로부터)와 간행성 흡수(외성적 적외선 배경으로부터)를 모두 고려한다. 이론적 스펙트럼은 내부 흡수로 인해 테바론 이상에서 기울어지며, 감마선 지수 ~3이 된다. 강한 간행성 흡수가 없을 경우, HEGRA는 개선된 감마선/핵입자 분리 기법을 통해 이러한 천체를 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Blazars with redshifts z&lt;0.1 are likely candidates for detection at energies in the range 300 GeV - 50 TeV with Cerenkov telescopes and scintillator arrays. We present gamma-ray flux predictions for a sample of 15 nearby flat-spectrum radio sources fitting the proton blazar model of Mannheim (1993a) to their observed broad-band spectral energy distributions. At high energies, we use fluxes or flux limits measured by ROSAT, CGRO and the Whipple Observatory to constrain their spectra. We take into account absorption of the gamma-rays by pair production with low energy photons of the diffuse infrared-to-optical photon background produced by galaxies (cosmic absorption) and with low energy synchrotron photons of the blazar radiation field (internal absorption). Typically, the theoretical spectra decrease much faster above TeV (photon index s~3) than between GeV and TeV (s~2) owing to internal absorption. The predicted fluxes are confronted with flux limits in the 20-50 TeV energy range obtained by the High Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA) experiment. Without cosmic absorption, the fluxes are about equal to the current sensitivity of HEGRA. Improved gamma/hadron separation techniques could render a detection by HEGRA possible, if cosmic absorption by the far-infrared background at wavelengths ~100 mu is not exceedingly strong.

연구 동기 및 목표

• 플랫 스펙트럼 라디오 퀘이사의 고에너지 감마선 방출을 프로톤 블라자르 모델을 사용해 모델링하기.
• ROSAT, CGRO, Whipple 관측소의 다중파장 데이터를 이용해 이러한 천체의 본질적 감마선 스펙트럼을 제약하기.
• 블라자르의 동기복사 광자로부터 발생하는 내부 흡수와 외성적 적외선-가시광선 배경으로 인한 간행성 흡수가 관측된 플럭스에 미치는 영향 평가하기.
• HEGRA 실험에서 20–50 테바론 에너지 범위에서 이러한 천체의 탐지 가능성 테스트하기.
• 실제 흡수 조건과 개선된 입자 분리 기법 하에서 HEGRA의 감도가 이러한 천체에 대해 어떻게 되는지 평가하기.

제안 방법

• 15개의 근접 플랫 스펙트럼 라디오 소스의 광역 스펙트럼 에너지 분포에 Mannheim(1993a)의 프로톤 블라자르 모델을 적합한다.
• ROSAT, CGRO, Whipple 관측소의 플럭스 또는 플럭스 한계를 사용해 지질 이상의 고에너지 스펙트럼 형태를 제약한다.
• 복사 전달 모델을 적용하여 외성적 배경 빛(EBL)과 블라자르 자체의 동기복사 복사에서 발생하는 저에너지 광자와의 쌍생성 반응을 통한 감마선 흡수를 계산한다.
• 300 기릴로전자볼트에서 50 테바론까지의 에너지 범위에서 내부 및 간행성 흡수 효과를 포함한 기대되는 감마선 플럭스를 계산한다.
• 이론적 플럭스 예측을 20–50 테바론 범위에서 HEGRA의 플럭스 한계와 비교하여 탐지 가능성 평가한다.
• HEGRA에서 개선된 감마선/핵입자 분리 기법을 사용할 경우의 탐지 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 및 간행성 흡수를 고려할 때, 근접 블라자르(자기장 < 0.1)에서 예측되는 고에너지 감마선 플럭스는 무엇인가?
• RQ2 블라자르의 자체 동기복사 광자로부터 발생하는 내부 흡수가 1 테바론 이상에서 스펙트럼 형상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 외성적 적외선-가시광선 배경은 이러한 천체에서 오는 고에너지 감마선을 어느 정도 억제하는가?
• RQ4 만약 간행성 흡수가 약하고 감마선/핵입자 분리 기법이 개선된다면, HEGRA 실험은 이러한 천체를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 다양한 흡수 조건 하에서 HEGRA의 관측 플럭스 한계는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 15개의 블라자르에 대한 이론적 감마선 스펙트럼은 내부 흡수로 인해 1 테바론 이상에서 뚜렷이 기울어지며, 감마선 지수는 ~3에 도달한다. 이는 블라자르의 동기복사 광자로부터 발생하는 내부 흡수 때문이므로.
• 간행성 흡수가 없을 경우, 예측된 플럭스는 20–50 테바론 범위에서 현재 HEGRA 실험의 감도 한계 수준과 유사하다.
• 약 100 μm 부근의 원거리 적외선 배경에 의한 간행성 흡수로 인해 플럭스가 크게 억제될 수 있으며, 강한 흡수일 경우 HEGRA에 의한 탐지가 불가능해진다.
• HEGRA에서 개선된 감마선/핵입자 분리 기법을 사용할 경우, 간행성 흡수가 너무 심하지 않다면 이러한 천체의 탐지가 가능해진다.
• HEGRA의 관측 플럭스 한계는 간행성 흡수가 약하거나 존재하지 않을 경우에만 이론적 예측과 일치한다.
• 모델은 지질에서 테바론 사이의 스펙트럼 경화(s ~ 2) 이후, 내부 흡수 메커니즘으로 인해 테바론 이상에서 훨씬 더 급격한 감소를 예측한다.