[논문 리뷰] Energetic Particles in Clusters of Galaxies and Starburst Galaxies

H. J. Voelk|arXiv (Cornell University)|2003. 03. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하계의 초신성 폭발이 일어나는 은하와 은하단이 우주선과 자기장에 의해 비열역학적 과정을 통해 검출 가능한 고에너지 감마선 방출을 일으킬 수 있다고 제안한다. 이는 에너지가 높은 입자 이동이 초신성 폭발이 일어나는 은하에서는 대류에 의해 지배되며, 두 시스템 모두 테바르감마선을 방출할 것으로 예측한다. 특히 NGC 253는 이미 테바르 감마선 소스로 관측되었고, Coma와 같은 은하단은 히드론성 양성자 상호작용과 역방향 콜로이드 산란에 의해 다음 세대 기기로 관측 가능할 수 있다.

ABSTRACT

The nonthermal characteristics of starburst galaxies and galaxy clusters are reviewed and the perspectives for their observation in high energy gamma rays discussed. It is argued that starburst galaxies should have physically similar and even simpler nonthermal properties as our Galaxy, the particle transport being convective in their strong galactic winds. They should be measurable in TeV gamma rays by large detectors, and in fact the recent detection of NGC 253 is a first demonstration. Galaxy clusters are equally expected to produce a nonthermal energetic nuclear particle component that gives unambiguous information about the entropy production history in clusters. Both types of objects should be main sources of and at the same time also major visible representatives for the ubiquitous nonthermal component of matter in the Universe.

연구 동기 및 목표

• 초신성 폭발이 일어나는 은하와 은하단 내에서 고에너지 입자의 기원과 이동 메커니즘을 이해하기 위해.
• 이 시스템들에서 비열역학적 방출이 고에너지 감마선에서 검출 가능한지 평가하기 위해.
• 은하단에서 관측된 딱딱한 X선 초과 현상이 열역학적인지 비열역학적 과정에서 기인하는지 평가하기 위해.
• 은하단에서 감마선 방출을 일으키는 히드론성 및 렙톤성 과정의 역할을 평가하기 위해.
• 향후 감마선 기기로 이러한 천체를 검출할 수 있는지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 라디오에서 X선 대역까지의 다중파장 데이터를 사용하여 입자 밀도와 자기장 강도를 추정하기 위해.
• 최소 에너지 추정을 적용하여 초신성 폭발이 일어나는 은하에서 우주선 및 자기장 에너지 밀도를 추정하기 위해.
• 강력한 은하풍으로 인해 초신성 폭발이 일어나는 은하에서는 입자 이동을 대류로 모델링하기 위해.
• 은하단에서 히드론성 양성자 상호작용에 기반한 히드론성 감마선 방출을 추정하기 위해, 유령 양성자 집단을 가정하기 위해.
• 제2의 전자 및 유령 전자에서 기인한 역방향 콜로이드 산란과 브레머스트랄링 방출을 계산하기 위해.
• 예측된 방출 밀도를 GLAST와 CANGAROO III, H.E.S.S., VERITAS와 같은 이미징 대기 천체망원경의 감도 곡선과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 253와 M82와 같은 초신성 폭발이 일어나는 은하에서 예상되는 비열역학적 감마선 방출 밀도는 얼마인가?
• RQ2 대류적 입자 이동이 초신성 폭발이 일어나는 은하에서 우주선의 갇힘과 감마선 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Coma와 같은 은하단에서 히드론성 과정이 감마선 방출에 기여하는 비율은 얼마인가?
• RQ4 은하단에서 관측된 딱딱한 X선 초과 현상은 비열역학적 과정이 아닌 충격파가 발생한 바람에서 기인한 열역학적 방출로 설명될 수 있는가?
• RQ5 현재 및 다음 세대 기기로 은하단과 초신성 폭발이 일어나는 은하가 테바르 감마선 소스로 검출 가능한가?

주요 결과

• NGC 253와 M82와 같은 초신성 폭발이 일어나는 은하에서는 은하수의 약 두 개의 지수만큼 더 높은 우주선 에너지 밀도를 가진다.
• CANGAROO II에 의한 NGC 253의 테바르 범위에서의 검출은 초신성 폭발이 일어나는 은하에서 강력한 감마선 방출이 일어날 것이라는 예측을 확인한다.
• Coma와 같은 은하단은 히드론성 양성자 상호작용에 의한 π0 붕괴를 통해 테바르 감마선을 방출할 것으로 예측되며, 1 테바르에서 크래브 성운의 약 5% 수준의 방출 밀도를 가진다.
• 히드론성 감마선 스펙트럼은 브레머스트랄링 절단점 이상에서 약 2의 딱딱한 힘 법칙 지수를 예측한다.
• 은하단에서의 브레머스트랄링 및 $/pi^0$-붕괴 감마선 방출 밀도는 기하학적 범위에서 GLAST 검출기의 감도 범위 내에 있다.
• 지상 기반 IACT인 CANGAROO III, H.E.S.S., VERITAS는 그들의 큰 각도 크기에도 불구하고, Coma와 같은 확장된 은하단을 테바르 범위에서 약간의 검출 가능성이 있다.