[논문 리뷰] Breaks in gamma-ray spectra of distant blazars and transparency of the Universe

Г. И. Рубцов, S. Troitsky|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 02.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 먼 블라자르의 감마선 스펙트럼에서 관측된 상향 스펙트럼 끊김 현상의 기원을 조사하며, 이들이 근원의 본질적 물리적 특성 때문이 아니라 잘못된 흡수 모델링으로 인해 과도하게 추정된 간성간 투과도 때문임을 밝힌다. 가장 보수적인 간성간 배경 빛(EBL) 모델을 사용하여 저자들은 이러한 끊김 현상이 적색편이에 따라 체계적으로 이동함을 보이며, 이는 투과도를 과도하게 추정함으로써 발생하는 현상임을 시사한다—즉, 현재의 추정보다 우주가 테바론 광자에게 더 투명할 수 있으며, 이는 축합자 유사 입자와 같은 새로운 물리학의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The expected opacity of the intergalactic space limits the mean free path of TeV gamma rays to dozens of Megaparsecs. However, TeV photons from numerous more distant sources have been detected. This might be interpreted, in each particular case, in terms of hardening of the emitted spectrum caused by presently unknown mechanisms at work in the sources. Here we show that this interpretation is not supported by the analysis of the ensemble of all observed sources. In the frameworks of an infrared-background model with the lowest opacity, we reconstruct the emitted spectra of distant blazars and find that upward spectral breaks appear precisely at those energies where absorption effects are essential. Since these energies are very different for similar sources located at various distances, we conclude that the breaks are artefacts of the incorrect account of absorption and, therefore, the opacity of the Universe for gamma rays is overestimated even in the most conservative model. This implies that some novel physical or astrophysical phenomena should affect long-distance propagation of gamma rays. A scenario in which a part of energetic photons is converted to an inert new particle in the vicinity of the source and reconverts back close to the observer does not contradict to our results. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 먼 블라자르의 고에너지 감마선 스펙트럼에서 관측된 상향 스펙트럼 끊김 현상의 기원을 조사하기 위해.
• 이 끊김 현상이 근원의 물리적 특성인지, 잘못된 흡수 모델링으로 인한 오염인지 테스트하기 위해.
• 복원된 스펙트럼에서 관측된 스펙트럼 경화 현상이 알려진 간성간 배경 빛(EBL) 모델과 일치하는지 평가하기 위해.
• 특히 보수적인 EBL 모델에서 간성간 매질의 투과도가 과도하게 추정되고 있는지 평가하기 위해.
• 장거리 감마선 전파 및 축합자 유사 입자와 같은 새로운 물리학에 대한 함의를 탐색하기 위해.

제안 방법

• Ferm리-LAT 및 대기 츄레노프스 텔레스코프에서 확보한 99개의 먼 블라자르 샘플을 구축하였으며, 이 중에서 z ≥ 0.7 이고 E > 10 GeV 에서 검출된 천체만 선별하였다.
• Gilmore 등(2012)이 제시한 '기준' EBL 모델을 사용하였으며, 이는 하한 기준과 일치하는 가장 낮은 투과도를 가진 모델이었다.
• 에너지에 따라 변하는 쌍생성 투과도 τ(E, z)를 적용하여 관측된 스펙트럼을 복원하였으며, 각 에너지 영역에서 복원된 복사류와 평균 에너지를 동시에 조정하였다.
• 각 에너지 영역에서의 스펙트럼을 파워 레인지 근사로 모델링하고 exp(τ(E)) 보정을 적용하였으며, 차등 흡수로 인한 에너지 이동을 고려했다.
• Malmquist 편향, 적색편이 오차, 기기 에너지 캘리브레이션, 소스 유형 의존성 등의 체계적 오차를 검토하여 체계적 오염의 가능성을 배제하였다.
• 추가로 E0 = 100 GeV 인 더 큰 펌리 샘플을 대상으로 적색편이에 따른 끊김 패턴을 검증하기 위한 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 먼 블라자르의 감마선 스펙트럼에서의 상향 스펙트럼 끊김 현상은 근원의 물리적 특성인지, 잘못된 흡수 모델링으로 인한 오염인지?
• RQ2 스펙트럼 끊김의 위치가 근원의 적색편이에 따라 달라지며, 이는 전파 효과를 시사하는가, 아니면 내재된 복사 물리학을 뜻하는가?
• RQ3 가장 보수적인 EBL 모델에서 간성간 매질의 투과도가 과도하게 추정되고 있는가, 이로 인해 복원된 스펙트럼에서 인위적인 경화 현상이 발생하는가?
• RQ4 관측된 스펙트럼 특징은 근원 특화 메커니즘 대신 균일한 흡수 과도 추정으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 장거리 감마선 전파 및 축합자 유사 입자와 같은 새로운 입자의 존재에 대한 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 복원된 스펙트럼에서 관측된 블라자르의 스펙트럼 끊김 현상은 근원의 본질적 특성이 아니라 간성간 투과도 과도 추정으로 인한 결과물이다.
• 스펙트럼 끊김의 에너지가 적색편이에 따라 체계적으로 이동하며, 더 먼 근원일수록 더 높은 끊김 에너지를 보이며, 이는 내재된 근원 특성에 대한 기대와 정반대이다.
• 가장 보수적인 EBL 모델(Gilmore 등, 2012)에서도 투과도가 과도하게 추정되고 있으며, 이는 현재 모델링된 것보다 우주가 테바론 광자에게 더 투명할 수 있음을 시사한다.
• 관측된 적색편이 의존성 끊김 패턴은 근원 관련 물리학과 일치하지 않지만, 샘플 전반에 걸쳐 균일한 흡수 과도 추정과 일치한다.
• 결과는 고에너지 광자가 축합자 유사 입자로 전환되고 다시 돌아오는 등의 새로운 물리 현상이 관측된 투과도의 원인일 수 있음을 시사한다.
• 체계적 검토를 통해 적색편이 오차, Malmquist 편향, 기기 에너지 캘리브레이션 등의 주요 편향이 배제되어, 이 효과가 잘못된 투과도 모델링 때문임을 더욱 강화한다.