[논문 리뷰] Can Cosmic Rays Heat the Intergalactic Medium?

Saumyadip Samui, Kandaswamy Subramanian외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 05. 30.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초기 별 형성은 은하에서 초신성과 은하 외류로부터 유래한 우주선(CR) 양성자가 은하간 매질(IGM)을 상당히 가열할 수 있으며, 이는 등온 냉각을 상쇄하고 $z \sim 2$–$4$에서 관측된 IGM 온도 $10^4$–$3\times10^4$ K를 설명할 수 있음을 제안한다. 모델은 CR 가열 메커니즘이 고적색도에서의 IGM 온도를 조화롭게 맞추며, 초기 재이온화 조건에서도 유지되는 열 에너지를 제공함으로써, $z \approx 10$일지라도 우주선 에너지 침착을 통해 열역학적 에너지를 지속시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Supernova explosions in the early star forming galaxies will accelerate cosmic rays (CRs). CRs are typically confined in the collapsed objects for a short period before escaping into the intergalactic medium (IGM). Galactic outflows can facilitate this escape by advecting CRs into the IGM. An outflow that results in a termination shock can also generate more CRs. We show that the CR protons from the above processes can significantly affect the thermal history of the IGM. Within plausible range of parameters, cosmic ray heating can compensate for adiabatic cooling and explain the measured IGM temperature at redshifts z between 2 to 4, even with early reionization.

연구 동기 및 목표

• 고적색도($z \sim 2$–$4$)에서 관측된 은하간 매질(IGM)의 열역학적 상태를 우주선(CR) 가열이 어떻게 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• WMAP가 제안하는 바와 같이 초기 재이온화가 일어났을 경우와 관측된 IGM 온도 사이의 괴리, 즉 등온 냉각로 인해 온도가 너무 낮아질 것임을 해결하는 것.
• 초신성과 종료 충격파로부터 유래한 우주선(CR)이 에너지 침착을 통해 IGM 온도를 유지하는 데 기여하는 역할을 평가하는 것.
• 실제 천체역학 조건 하에서 은하에서 IGM로 확장되는 동안 우주선의 스펙트럼 진화 및 에너지 손실을 모델링하는 것.

제안 방법

• IGM 열역학적 진화를 모델링하기 위해 $\Omega_m=0.27$, $\Omega_b=0.04$, $H_0=70$ km s⁻¹ Mpc⁻¹를 사용한 표준 평탄한 $\Lambda$CDM 우주론을 적용하였다.
• 관측된 별 형성률 밀도 $R(z)$, 별 질량당 초신성 발생률 $f_{\rm SN}$, 초신성 에너지 $10^{51}$ erg 및 효율 $\epsilon=0.15$를 사용하여 우주선 양성자 주입률을 계산하였다.
• 우주선 양성자 스펙트럼을 거듭제곱 법칙 $n(p)dp \propto p^{-q}dp$($q=2.2$)로 모델링하고, 쿨롱, 이온화, 등온 손실을 포함한 에너지 손실 방정식을 사용해 진화를 시뮬레이션하였다.
• 전자 밀도 $n_e$, 중성 수소 밀도 $n_{\rm HI}$ 및 천체역학적 팽창을 고려한 손실률 방정식 $-d\beta/dt$를 통해 우주선 에너지 손실을 추적하였다.
• 에너지 손실률 $dE/dt$와 우주선 수밀도 $N_{\rm CR}(\beta,z,z_0)$를 기반으로 우주선 가열률 $\Gamma_{\rm CR}$을 동역학적 운동량에 대해 통합하여 계산하였다.
• 균일한 IGM과 재이온화 적색편이 $z_r$에서의 초기 온도 $T(z_r)$를 가정한 열역학적 진화 방정식 $d\cal E/dz = 5\cal E/(1+z) - \Gamma_{\rm CR}$을 해결하여 $T(z)$를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성과 은하 외류에서 유래한 우주선 가열이 $z \sim 2$–$4$에서 관측된 IGM 온도 $10^4$–$3\times10^4$ K를 설명할 수 있는가?
• RQ2 재이온화가 $z \approx 10$일 정도로 매우 이른 시기에 일어났다면, 우주선 가열이 IGM의 등온 냉각을 얼마나 잘 상쇄할 수 있는가?
• RQ3 고적색도 은하에서의 우주선 구속(그램aje)에 따라 예측된 IGM 온도가 얼마나 민감하게 변하는가?
• RQ4 은하 외류의 종료 충격파가 우주선 주입과 이후 IGM 가열에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 우주선 가열은 재이온화의 열기록을 지우며, 초기 재이온화와 고온 관측 결과 간의 괴리를 해소할 수 있는가?

주요 결과

• 우주선 가열은 재이온화가 $z \approx 10$일 정도로 이른 경우에도 $z \sim 2$–$4$에서 관측된 범위($10^4$–$3\times10^4$ K)의 IGM 온도를 유지할 수 있다.
• 그램aje $\lesssim 10$ g cm⁻²인 우주선 스펙트럼이 은하에서 탈출할 경우, 모델은 관측된 IGM 온도를 잘 재현하며, $z=0$에서 예측된 $U_{\rm cr} \sim 6\times10^{-3}$ eV cm⁻³를 도출한다.
• 등온 손실을 고려한 경우(사례 II) 또는 종료 충격파를 고려한 경우(사례 III)는 저에너지 우주선의 효율적 주입으로 인해 더 높은 IGM 온도를 만들어내며, 각각 $z=0$에서 $U_{\rm cr} \sim 1.5\times10^{-4}$ 및 $5.7\times10^{-4}$ eV cm⁻³를 예측한다.
• 은하 수준의 구속($x=10$ g cm⁻²) 조건이라도, 우주선 가속 효율 $\epsilon$가 $0.3$–$0.4$에 도달할 경우 관측 결과와 일치할 수 있으며, 이는 충격 가속 모델과 일치한다.
• 우주선 가열을 고려할 경우, 강한 등온 냉각에도 불구하고 $z \sim 2$–$4$ 범위에서 IGM 온도가 $10^4$ K 이상 유지되며, 이는 우주선이 타당한 가열 메커니즘이 될 수 있음을 보여준다.
• 모델은 우주선 에너지 밀도와 IGM 온도가 별 형성률 스케일링 인자 $\eta$에 민감하게 의존하지만, 자동 보정 효과로 인해 온도는 상대적으로 안정되어 있음을 보여준다.