[논문 리뷰] Fermi-LAT detection of extended gamma-ray emission in the vicinity of SNR G045.7$-$00.4: evidence for escaping cosmic rays interacting with the surrounding molecular clouds

Hai-Ming Zhang, Ruo-Yu Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 39인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 SNR G045.7−00.4 근처에서 관측된 확장된 GeV 영역의 감마선 방출에 대해 Fermi-LAT 관측 결과를 제시하며, 서쪽에 위치한 방출원이 밀도가 높은 분자구름와 공간적으로 일치함을 밝혀내었다. 이 방출은 SNR에서 탈출한 우주선이 구름와 상호작용하면서 생성된 π0 붕괴로 해석되며, 탈출한 우주선의 총 에너지 예산은 약 ~10⁵⁰ erg로, 두 가지 연령/확산 시나리오 모두에서 일관되게 나타난다.

ABSTRACT

We present the analysis of Fermi Large Area Telecope (LAT) data of the gamma-ray emission in the vicinity of a radio supernova remnant (SNR), G045.7$-$00.4. To study the origin of the gamma-ray emission, we also make use of the CO survey data of Milky Way Imaging Scroll Painting to study the massive molecular gas complex that surrounds the SNR. The whole size of the GeV emission is significantly larger than that of the radio morphology. Above 3 GeV, the GeV emission is resolved into two sources: one is spatially consistent with the position of the SNR with a size comparable to that of the radio emission, and the other is located outside of the western boundary of the SNR and spatially coincident with the densest region of the surrounding molecular cloud. We suggest that the GeV emission of the western source may arise from cosmic rays (CRs) which have escaped the SNR and illuminated the surrounding molecular cloud. We find that the gamma-ray spectra of the western source can be consistently explained by this scenario with a total energy of $\sim 10^{50}{ m erg}$ in escaping CRs assuming the escape is isotropic.

연구 동기 및 목표

• SNR G045.7−00.4 근처의 확장된 GeV 감마선 방출의 기원을 조사하기 위해.
• 이 방출이 SNR에서 탈출한 우주선이 둘러싼 분자구름와 상호작용하면서 발생하는지 확인하기 위해.
• 감마선 및 CO 데이터를 사용하여 탈출한 우주선의 에너지 예산과 확산 특성을 제약하기 위해.
• 서쪽 감마선 방출원이 탈출한 우주선이 분자구름 복합체를 비추면서 발생하는가를 시험하기 위해.

제안 방법

• 2008–2020년 기간 동안의 12년 분량의 Fermi-LAT Pass 8 데이터를 3–500 GeV 에너지 대역에서 분할 최대우도 분석을 사용하여 분석하였다.
• Fermipy 도구를 사용하여 소스의 확장성과 형태를 모델링하였으며, 확장된 소스에 대해 균일한 디스크 모델을 사용하였다.
• MWISP 프로젝트의 CO 조사 데이터와 결합하여 분자가스 분포와 밀도를 매핑하였다.
• 탈출하는 우주선의 pp 상호작용에서 발생하는 감마선 방출을 모델링하기 위해 탈출 플럭스 공식을 사용하였다: nCR(Ep, r) = Np,esc(Ep)/(4π³/²RescRdiffr) × [exp(−(Resc−r)²/Rdiff²) − exp(−(Resc+r)²/Rdiff²)]
• 서쪽 소스의 관측된 감마선 스펙트럼을 pp 비탄성 산란의 미분 단면적과 매개변수화된 확산 계수 D(Ep) = χ×10²⁸(Ep/10 GeV)¹/³ cm²s⁻¹를 사용하여 피팅하였다.
• 두 가지 극한 시나리오를 평가하였다: 7000년의 SNR 연령과 낮은 밀도의 은하간 매질(1 cm⁻³)에서의 경우, 그리고 10⁵년의 연령과 높은 밀도의 구름(280 cm⁻³)에서의 경우로, 데이터에 적합하기 위해 ηp와 χ를 조정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 G045.7−00.4 근처의 확장된 GeV 감마선 방출은 SNR에서 탈출한 우주선이 분자구름와 상호작용함으로써 발생하는가와 일치하는가?
• RQ2 서쪽 소스에서 관측된 감마선 방출을 설명하기 위해 필요한 탈출한 우주선의 총 에너지 예산은 얼마인가?
• RQ3 SNR의 연령과 확산 계수는 탈출한 우주선 모델이 관측 결과와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 서쪽 소스의 감마선 방출은 새로운 고에너지 입자 원천 없이도 pp 상호작용으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• GeV 방출은 라디오 SNR를 크게 초월하여 확장되어 있으며, 두 개의 별개의 성분을 포함한다: 하나는 SNR와 정렬된 소스 E이고, 다른 하나는 그 서쪽에 위치한 소스 W이다.
• CO 조사 결과에 따르면 소스 W는 주변 분자구름의 가장 밀도가 높은 지역과 공간적으로 일치한다.
• 소스 W의 감마선 스펙트럼은 탈출한 우주선의 pp 상호작용에 의해 일관되게 설명되며, 이는 탈출한 양성자에 약 ~10⁵⁰ erg의 총 에너지 예산이 필요하다는 것을 의미한다.
• 두 가지 타당한 시나리오가 데이터에 적합하다: 7000년의 SNR가 낮은 밀도의 은하간 매질(ηp = 0.06, χ = 1)에서 존재하거나, 10⁵년의 SNR가 높은 밀도의 구름(ηp = 0.1, χ = 0.1)에서 존재하는 경우로, 모두 일관된 방출량을 낳는다.
• 10 GeV에서의 확산 계수는 가정된 SNR 연령과 환경에 따라 1×10²⁷ ~ 10×10²⁷ cm²s⁻¹ 사이로 추정된다.
• LHAASO의 감도에 따르면, 만약 우주선 스펙트럼이 약 1 PeV까지 연장된다면, 이 소스는 TeV 영역에서 탐지 가능할 수 있으나, 각도 해상도가 소스 분리에 제한을 줄 수 있다.