[논문 리뷰] Evidence for a Local "Fog" of Sub-Ankle UHECR

Ruo-Yu Liu, Andrew M. Taylor외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT가 외성간 감마선 복사의 대부분이 점원천에서 기인한다는 제약 조건을 바탕으로, 산란 복사( cascade radiation )를 과잉으로 생성하지 않으면서도 확산 감마선 배경을 설명하기 위해, 앙클 에너지 임계값 이하(1–4×10¹⁸ eV)의 초고에너지 우주선(UHECRs)의 국소적 ' nebl'이 존재해야 한다고 제안한다. 연구는 국소적 원천, 특히 가능성이 있는 은하수 내 원천이 산란 감마선을 과잉으로 생성하는 것을 방지하기 위해 필요하다고 밝히며, 일부 820 GeV 외성간 배경 복사가 UHECRs에서 기인한다는 가정 하에, UHECR 원천의 최대 전파 거리 한계를 유도한다.

ABSTRACT

During their propagation through intergalactic space, ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) interact with the background radiation fields. These interactions give rise to energetic electron/positron pairs and photons which in turn feed electromagnetic cascades, resulting in a diffuse gamma-ray background radiation. The gamma-ray flux level generated in this way highly depends upon the UHECR propagation distance, as well as the evolution of their sources with redshift. Recently, the \fermi collaboration has reported that the majority of the total extragalactic gamma-ray flux originates from extragalactic point sources. This posits a stringent upper limit on the diffuse gamma-ray flux generated via UHECR propagation, and subsequently constrains their abundance in the distant Universe. Focusing on the contribution of UHECR at energies below the ankle within a narrow energy band ($(1-4) imes 10^{18}$eV), we calculate the diffuse gamma-ray flux generated through UHECR propagation, normalizing the total cosmic ray energy budget in this band to the measured flux. We find that in order to not overproduce the cascade gamma-ray flux, a local fog of UHECR produced by nearby sources must exist, with a possible non-negligible contribution from our Galaxy. Following the assumption that a given fraction of the observed IGRB at 820GeV originates from UHECR, we obtain a constraint on the maximum distance for the majority of their sources. With UHECR above the ankle invariably also contributing to the diffuse gamma-ray backgound, the results presented here are conservative.

연구 동기 및 목표

• 앙클 에너지 임계값 이하(1–4×10¹⁸ eV)에서 UHECRs의 전파에 의해 생성되는 확산 감마선 복사의 특성을 조사하기 위해.
• 페르미-LAT의 관측 결과인 외성간 감마선 복사의 대부분이 분리된 점원천에서 기인한다는 점을 바탕으로, UHECRs가 외성간 감마선 배경(EGRB)에 기여하는 정도를 제약하기 위해.
• 산란 감마선을 과잉으로 생성하지 않도록 하기 위해 필요한 국소적 UHECR 밀도와 원천 분포를 결정하기 위해.
• 감마선 복사 제약 조건을 바탕으로 UHECR 원천의 전파 거리에 대한 상한을 유도하기 위해.

제안 방법

• 우주간 공간을 통과하는 UHECRs에 의해 유도되는 전자기 산란 과정을 통해 생성되는 확산 감마선 복사의 양을 계산하기 위해.
• 물리적 일관성을 확보하기 위해 관측된 우주선 복사에 맞추어 (1–4)×10¹⁸ eV 대역의 UHECR 에너지 예산을 정규화하기 위해.
• 외성간 감마선 복사의 대부분이 분리된 원천에서 기인한다는 페르미-LAT의 제약 조건을 적용하여, 산란 확산 복사의 엄격한 상한을 설정하기 위해.
• 산란 복사 상한을 이용해, UHECRs가 국소적 원천에서 기인한다는 가정 하에 필요한 국소적 UHECR 밀도를 추론하기 위해.
• 820 GeV 외성간 배경 복사의 일부가 UHECR 산란에서 기인한다는 가정 하에, UHECR 원천의 최대 거리를 유도하기 위해.
• 앙클 이하의 UHECRs 외에도 UHECRs가 확산 감마선 배경에 기여할 것으로 예상되므로, 보수적인 가정을 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 우주선 복사에 비추어 볼 때, 앙클 이하의 UHECRs가 전자기 산란 과정을 통해 생성하는 확산 감마선 복사의 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 페르미-LAT의 외성간 감마선 복사에서 점원천 지배성이 지배적인 제약 조건은 UHECRs에서 기인하는 산란 확산 복사의 允許된 양에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 산란 감마선 복사를 과잉으로 생성하지 않기 위해 필요한 국소적 UHECR 밀도(즉, ' nebl')는 어느 정도인가?
• RQ4 관측된 외성간 감마선 복사 및 산란 제약 조건과 일치하는 UHECR 원천까지의 최대 거리는 어느 정도인가?
• RQ5 은하수 또는 근접한 원천이 관측된 UHECR 복사에 기여할 수 있는 정도는 어느 정도이며, 감마선 배경 제약 조건을 위반하지 않는가?

주요 결과

• 산란 감마선 복사를 과잉으로 생성하지 않기 위해, 앙클 에너지 이하(1–4×10¹⁸ eV)의 국소적 UHECR ' nebl'이 필요하다.
• 820 GeV 외성간 감마선 배경의 일부가 UHECR 산란에서 기인한다는 가정조차도, 이러한 국소적 UHECR 집합체의 존재가 필요하다.
• 산란 복사 상한을 바탕으로, 대부분의 UHECR 원천은 제한된 적색편이 범위 내에 있어야 한다는 제약 조건을 도출하였다.
• 결과는 보수적인 것으로, UHECRs가 앙클 이상일 경우에도 확산 감마선 배경에 기여할 것으로 예상되기 때문이다.
• 은하수 내 또는 근접한 원천에서 기인하는 UHECR 복사의 비중이 유의미하게 존재할 수 있으며, 관측된 제약 조건과 일치한다.
• 분석 결과, 페르미-LAT 관측 결과와 일치하기 위해, 앙클 이하의 UHECRs가 이전에 상정된 것보다 국소 우주에서 훨씬 더 풍부해야 한다는 결론을 이끌었다.