[논문 리뷰] Evaluation of Hadronic Emission in Starburst Galaxies and Star-forming Galaxies

Yunchuan Xiang, Z. J. Jiang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 85인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 13개의 은하분비은하 및 은하분비은하 11년치 페르미-LAT 데이터를 한 영역 및 두 영역의 핵성 모형을 사용하여 재분석하여 지질 에너지 대역의 감마선 방출 기원을 조사한다. 대부분의 천체에 대해 지수적 감쇠가 있는 비율 분포를 가진 프로톤이 설명에 적합하지만, NGC 1068 및 NGC 4945에서 관측된 스펙트럼 경화 현상을 설명하기 위해 두 영역 모형이 필요하며, 프로톤의 감쇠 에너지는 약 100 테라전자볼트에 도달하고 은하분비은하에서는 약 10⁵⁴ 에르그의 에너지 예산을 가진다.

ABSTRACT

In this work, we reanalyzed 11 years of spectral data from the extit{Fermi} Large Area Telescope ( extit{Fermi}-LAT) of currently observed starburst galaxies (SBGs) and star-forming galaxies (SFGs). We used a one-zone model provided by extbf{NAIMA} and the hadronic origin to explain the GeV observation data of the SBGs and SFGs. We found that a protonic distribution of a power-law form with an exponential cutoff can explain the spectra of most SBGs and SFGs. However, it cannot explain the spectral hardening components of NGC 1068 and NGC 4945 in the GeV energy band. Therefore, we considered the two-zone model to well explain these phenomena. We summarized the features of various model parameters, including the spectral index, cutoff energy, and protonic total energy. Similar to the evolution of supernova remnants (SNRs) in the Milky Way, we estimated the protonic acceleration limitation inside the SBGs to be likely in the order of 10$^{2}$ TeV using the one-zone model; this is close to those of SNRs in the Milky Way.

연구 동기 및 목표

• 논문의 목적은 은하분비은하 및 은하분비은하에서 지질 에너지 대역 감마선 방출의 기원을 명확히 하는 데 있다.
• 핵성 과정, 특히 프로톤-프로톤 상호작용이 관측된 스펙트럼을 설명할 수 있는지 조사한다.
• 일영역 모형이 NGC 1068 및 NGC 4945에서의 스펙트럼 경화 현상을 적절히 맞추지 못하는 한계를 다룬다.
• NAIMA 및 페르미-LAT 데이터를 사용하여 이들 은하에서의 간섭우주선 가속 및 확산의 역할을 평가한다.
• 입자 가속 메커니즘을 제약하기 위해 프로톤 에너지 예산과 감쇠 에너지를 추정하는 것을 포함한다.

제안 방법

• 저자들은 2008–2019년 동안의 11년 치 페르미-LAT Pass 8 데이터를 사용하였으며, 에너지 범위는 100 MeV에서 500 GeV이다.
• 배치 최대우도 방법을 적용하였으며, 'P8R3 SOURCE V2' 응답 함수와 배경 템플릿을 사용하였다.
• 지역 1개의 모형을 사용하여 13개 은하의 지질 스펙트럼을 분석하였으며, 이는 비율 분포를 가진 프로톤과 지수 감쇠를 포함한다.
• NGC 1068 및 NGC 4945에 대해서는 스펙트럼 경화 현상을 설명하기 위해 두 영역 모형을 도입하였으며, 별개의 핵성 성분을 포함한다.
• NAIMA 스펙트럼 모델링 도구를 사용하여 간섭우주선 상호작용으로부터 유래하는 핵성 방출을 시뮬레이션하였다.
• 4FGL 목록과 고유 스크립트를 사용하여 소스 모형을 생성하였으며, 스펙트럼 기울기와 정규화를 자유 매개변수로 간주하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 1개의 핵성 모형이 비율 프로톤 분포와 지수 감쇠를 포함하여 은하분비은하 및 은하분비은하의 지질 감마선 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 NGC 1068 및 NGC 4945는 일영역 모형이 재현하지 못하는 지질 대역에서 스펙트럼 경화 현상을 보이는가?
• RQ3 은하분비은하에서 간섭우주선 확산 및 가속에 대해 두 영역 모형이 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 이들 은하에서의 프로톤 감쇠 에너지 및 에너지 예산은 은하수 초신성 잔해와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 이들 은하에서 감마선 방출의 핵성 기원은 관측된 빛의 세기 관계와 일치하는가?

주요 결과

• 지역 1개 모형이 비율 프로톤 분포와 지수 감쇠를 포함하여 대부분의 은하분비은하 및 은하분비은하의 지질 스펙트럼을 성공적으로 설명한다.
• NGC 1068 및 NGC 4945는 일영역 모형이 재현하지 못하는 지질 대역에서 스펙트럼 경화 현상을 보이며, 이는 두 영역 접근이 필요하다.
• 두 영역 모형은 하드닝 성분에 더 잘 맞추며, 성분 1은 더 뚜렷한 스펙트럼 기울기와 낮은 프로톤 에너지 예산(Wp)을 가진다.
• NGC 253 및 M82의 프로톤 감쇠 에너지(Ecutoff)는 약 10² 테라전자볼트 수준에 도달하여 효율적인 프로톤 가속을 시사한다.
• 은하분비은하 및 SBG-AGN의 평균 프로톤 에너지 예산(Wp)은 약 10⁵⁴ 에르그이며, 은하분비은하의 경우 약 10⁵³ 에르그이다.
• 은하분비은하 및 SBG-AGN의 스펙트럼 기울기는 각각 약 2.30 및 2.19이며, SFG는 더 부드럽고 평균 기울기는 2.43이다.