[논문 리뷰] Constraints on cosmic rays in the Milky Way circumgalactic medium from OVIII observations

Manami Roy, Biman B. Nath|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 29.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 53인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 분석적 수압평형 모델인 강하(PP)와等온(IT) 모델에 우주선(CR)의 열압 억제를 포함하여 은하간 매질(CG)에서의 OVIII X선 흡수선을 모델링함으로써 은하계의 우주선 압력을 제약한다. PP 모델에서는 η ≲10, IT 모델에서는 η ≲6를 도출하였으며, 반경 방향으로 감소하는 CR-열압 비율 프로파일(η ∝ 1/x)은 온도 변동을 고려할 경우 중심부에서 η 값이 더 높아지더라도 관측 결과와 일치 가능하게 한다(최대 약 200).

ABSTRACT

We constrain the cosmic ray (CR) population in the circumgalactic medium (CGM) of Milky Way by comparing the observations of absorption lines of OVIII ion with predictions from analytical models of CGM : precipitation (PP) and isothermal (IT) model. For a CGM in hydrostatic equilibrium, the introduction of CR suppresses thermal pressure, and affects the OVIII ion abundance. We explore the allowances given to the ratio of CR pressure to thermal pressure ($ m{P}_{ m{CR}}/ m{P}_{ m{th}}=\eta$), with varying boundary conditions, CGM mass content, photoionization by extragalactic ultraviolet background and temperature fluctuations. We find that the allowed maximum values of $\eta$ are : $\eta\lesssim10$ in the PP model and $\eta\lesssim6$ in the IT model. We also explore the spatial variation of $\eta$ : rising ($\eta=Ax$) or declining ($\eta=A/x$) with radius, where A is the normalization of the profiles. In particular, the models with declining ratio of CR to thermal pressure fare better than those with rising ratio with suitable temperature fluctuation (larger $\sigma_{ m ln T}$ for PP and lower for IT). The declining profiles allow $A\lesssim8$ and $A\lesssim10$ in the case of IT and PP models, respectively, thereby accommodating a large value of $\eta \,(\simeq 200)$ in the central region, but not in the outer regions. These limits, combined with the limits derived from $\gamma$-ray and radio background, can be useful for building models of Milky Way CGM including CR population. However, the larger amount of CR can be packed in cold phase which may be one way to circumvent these constraints.

연구 동기 및 목표

• 관측된 OVIII X선 흡수선을 이용해 은하계의 은하간매질(CG)에서의 우주선(CR) 인구를 제약하는 것.
• 우주선 압력(η = PCR/Pth로 정량화)이 CGM 내에서 산화철 8의 이온화 구조와 기둥 밀도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 반경 방향으로 증가하거나 감소하는 η의 프로파일이 다양한 온도 변동과 경계 조건 하에서 관측 결과와 일치 가능한지 테스트하는 것.
• 기존 감마선 및 라디오 배경 제약 조건과 함께 CGM 내 고압력의 우주선이 일관된지 평가하는 것.
• 우주선이 냉각 상태의 매질에 특별히 국한되어 있을 경우 관측 제약을 피할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 열압과 우주선 압력 기여를 포함한 수압평형, 다상태 매체로 CGM을 모델링하는 것.
• 등온(IT) 및 강하(PP) 모델에 대한 해석적 해를 사용하여 기체 밀도, 온도, 이온화 구조의 반경 프로파일을 계산하는 것.
• 금속 농도와 온도 변동을 포함한 충돌 이온화 평형(CIE) 및 광이온화(PI) 조건 하에서 OVIII 기둥 밀도를 계산하는 것.
• 우주선 대 열압 비율(η)과 반경 의존성(η = Ax 또는 η = A/x)을 변화시켜 관측된 OVIII 기둥 밀도와 일치하는 허용 범위를 찾는 것.
• 모델 예측을 X선 관측에서 얻은 관측된 OVIII 흡수 기둥 밀도와 비교하며, 특히 Chandra 및 XMM-Newton 임무의 결과를 활용하는 것.
• 온도 변동을 로그노멀 분포(σlnT)를 통해 포함하여 이온화 평형과 기둥 밀도 감소에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 OVIII X선 흡수선을 바탕으로 은하계 CGM에서의 우주선 압력 대 열압 비율(η)의 최대 允許 값은 얼마인가요?
• RQ2 온도 변동은 PP 및 IT 모델에서 η에 대한 제약에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 반경에 따라 감소하는 η의 프로파일(η ∝ 1/x)은 관측 결과와 일치하면서도 중심부에서 더 높은 η 값을 수용할 수 있나요?
• RQ4 광이온화와 금속 농도가 예측된 OVIII 기둥 밀도와 그에 따른 η 제약에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 CGM의 냉각 상태에서 우주선이 특별히 국한되어 있을 경우 유도된 η 제약을 피할 수 있나요?

주요 결과

• 온도 변동을 고려할 경우 강하(PP) 모델에서 우주선 압력 대 열압 비율(η)의 최대 允許 값은 η ≲10으로 제약된다.
• 등온(IT) 모델에서는 광이온화를 고려할 경우 η ≲6가 허용되지만, IT 모델는 과도하게 단순화되어 실제 CGM 물리에 반영되지 않을 수 있다.
• 감소하는 η 프로파일(η = A/x)은 증가하는 프로파일(η = Ax)보다 관측 결과와 더 잘 일치하며, 특히 적절한 온도 변동(σlnT)을 적용할 경우 더욱 그렇다.
• 감소하는 η 프로파일의 경우, 정규화 상수 A는 IT 모델에서 A ≲8, PP 모델에서 A ≲10로 제약되며, 이는 제약을 위반하지 않으면서 중심부에서 η 값이 매우 높아지게(최대 약 200) 하는 것을 허용한다.
• 제약 조건은 특히 OVIII 흡수가 가장 강하고 우주선 압력 억제에 가장 민감한 내부 CGM 영역에 가장 민감하게 작용한다.
• 감마선 및 라디오 배경 제약과 함께 분석된 결과, 은하계 CGM 내에 광범위하게 퍼져 있는 고η 우주선 인구는 거의 불가능하다는 것이지만, 국소적이거나 중심에 집중된 우주선 인구는 여전히 타당할 수 있다.