[논문 리뷰] Cosmic Rays VI - Starburst galaxies at multiwavelengths

J. K. Becker, Peter L. Biermann외 2명|ArXiv.org|2009. 01. 13.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 8인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 은하계 초신성 잔해에서의 고에너지 입자 가속화와 항성 폭발 은하에서의 적외선/라디오 상관관계를 연결하는 모델을 제안한다. 은하간 매질의 에너지 균형을 분석하기 위해 누출 상자 근사법을 사용하며, 이 모델은 초신성 잔해 내에서의 양성자-양성자 상호작용이 고에너지 광자를 생성하며 이는 전체 산란 감마선 배경의 약 1–3% 기여한다. 또한 최대 에너지가 약 10⁵ GeV인 뉴트리노를 생성하며, 근접한 감마선 폭발 동안 검출 가능한 뉴트리노 폭발이 발생할 수 있다.

ABSTRACT

We propose an explanation for the far-infrared/radio correlation of galaxies in terms of the energy balance of the interstellar medium and determine the flux from high-energy photons and neutrinos from starburst galaxies. We present a catalog of the 127 brightest starburst galaxies with redshifts of z<0.03. In order to investigate the correlation between radio- and far-infrared emission, we apply the leaky box approximation. Further, we derive photon- and neutrino spectra from proton-proton interactions in supernova remnants (SNRs). Here, we assume that a fraction of the SNR's energy is transferred to the acceleration of cosmic rays. We also investigate the possibility of detecting Gamma Ray Bursts from nearby starburst galaxies, using the catalog defined here. We show that the radio emission is only weakly dependent on the magnetic field. It turns out that the intensity of the radio signal is directly proportional to the number of supernova explosions, which scales with the far-infrared luminosity. In addition, we find that high-energy photons from proton-proton interactions in SNRs in starbursts can make up several percent of the diffuse gamma-ray background. The neutrino flux from the same sources has a maximum energy of ~1e5 GeV. Neutrinos can, on the other hand, can be observed if a Gamma Ray Burst happens in a nearby starburst. About 0.03 GRBs per year are expected to occur in the entire catalog. The true number is expected to be even higher, since we only include the brightest sources. The number of events per burst in IceCube varies between about one event and more than 1000 events. This provides good prospects for IceCube to detect a significant event, since the background for a GRB search is close to zero.

연구 동기 및 목표

• 은하계 초신성 잔해에서의 국소 에너지 균형 모델을 통해 항성 폭발 은하에서 오랫동안 관측된 적외선/라디오 광도 상관관계를 설명한다.
• 항성 폭발 은하의 초신성 잔해 내에서의 핵반응에 의해 생성되는 고에너지 광자 및 뉴트리노의 유량을 규명한다.
• 아이스코브 뉴트리노 관측소를 이용해 근접한 항성 폭발 은하에서의 감마선 폭발과 관련된 고에너지 뉴트리노의 검출 가능성을 평가한다.
• 다중파장 분석 및 모델 검증을 위해 적외선, 라디오, X선 데이터를 통합하여 적외선, 라디오, X선 관측소인 IRAS, VLA, ROSAT, Chandra에서 확보한 자료를 바탕으로 적외선 적색편이가 0.03 이하인 127개의 밝고 가까운 항성 폭발 은하의 목록을 구축한다.

제안 방법

• 은하간 매질의 에너지 균형을 모델링하기 위해 누출 상자 근사법을 적용하여 라디오 방출을 초신성 발생률과 적외선 광도에 연결한다.
• 초신성 잔해 내에서의 핵반응 모델을 사용하여 양성자-양성자 충돌에 의한 2차 광자 및 뉴트리노 스펙트럼을 계산한다.
• 초신성 잔해 에너지의 일부가 고에너지 입자 가속화에 사용된다고 가정하며, 관측된 라디오 및 적외선 광도에 따라 모델의 매개변수를 校정한다.
• 적외선 적색편이가 0.03 이하인 127개의 항성 폭발 은하 목록을 구축하였으며, IRAS, VLA, ROSAT, Chandra에서 확보한 다중파장 데이터(적외선, 라디오, X선)를 통합하였다.
• 목록에 포함된 은하에서 감마선 폭발 발생률을 추정하였으며, 항성 폭발 은하가 전체 감마선 폭발의 일부를 차지한다고 가정하고 아이스코브에서 검출 가능한 뉴트리노 사건률을 모델링하였다.
• 양성자-양성자 상호작용에서 유도된 스펙트럼을 통합하여 항성 폭발 은하에 의해 기여하는 산란 감마선 배경 기여도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 물리적 메커니즘이 항성 폭발 은하에서 적외선 광도와 라디오 광도 사이의 밀접한 상관관계를 설명하는가?
• RQ2 초신성 잔해 내에서의 핵반응에 의한 고에너지 광자 및 뉴트리노가 산란 고에너지 감마선 배경에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 항성 폭발 은하에서 기대되는 뉴트리노 유량은 얼마이며, 현재의 관측소인 아이스코브에서 검출 가능한가?
• RQ4 연도당 목록에 포함된 127개의 항성 폭발 은하에서 예상되는 감마선 폭발의 수는 얼마이며, 관련된 뉴트리노 폭발의 검출 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 라디오 방출은 자기장 강도에 약하게 의존하며, 초신성 발생률에 직접 비례한다. 이는 적외선 광도에 비례하므로, FIR/라디오 상관관계를 설명할 수 있다.
• 초신성 잔해 내에서의 양성자-양성자 상호작용에 의한 고에너지 광자는 관측된 산란 감마선 배경의 약 1–3% 기여한다.
• 이 상호작용에서 생성되는 뉴트리노의 최대 에너지는 약 10⁵ GeV에 도달하며, 향후 고에너지 뉴트리노 관측소에서 검출 가능할 수 있다.
• 전체 127개의 항성 폭발 은하 내에서 연간 약 0.03개의 감마선 폭발이 발생할 것으로 예상되며, 아이스코브에서의 검출 가능한 뉴트리노 사건률은 폭발당 1건에서 1000건 이상에 이르는 범위이다.
• 아이스코브에서 감마선 폭발 탐색의 배경이 낮아, 근접한 항성 폭발 은하에서의 뉴트리노 신호 탐지가 매우 가능성이 높으며, 특히 밝고 가까운 천체에 집중된 목록 덕분에 더욱 유리하다.
• 모델은 항성 형성 영역에서의 주입 지배 시나리오를 지지하며, M33와 같은 은하의 공간적으로 분해된 연구에서 관측된 평탄한 라디오 스펙트럼과 일치한다.