[논문 리뷰] Gamma-ray detection toward the Coma cluster with Fermi-LAT: Implications for the cosmic ray content in the hadronic scenario

R. Adam, Hazal Goksu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 85인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 페르미-LAT 데이터를 사용하여 코마 은하단에서 산산이 흩어진 감마선 방출을 확인하며, 이를 은하단 내부 매질의 고에너지 핵반응에서 발생하는 히드론성 양성자-양성자 충돌에 의한 π0 붕괴로 모델링한다. 이는 은하단 내 간섭 우주선 양성자 함량에 대한 첫 번째 정량적 제약을 제공하며, R500 내에서 XCRp = 1.79+1.11−0.30%로 제한한다. 또한 2차 전자만으로는 관측된 전파 방출을 설명할 수 없으며, 추가적인 전자 군집 또는 재가속 메커니즘을 필요로 함을 보여준다.

ABSTRACT

The presence of relativistic electrons within the diffuse gas phase of galaxy clusters is now well established, but their detailed origin remains unclear. Cosmic ray protons are also expected to accumulate during the formation of clusters and would lead to gamma-ray emission through hadronic interactions within the thermal gas. Recently, the detection of gamma-ray emission has been reported toward the Coma cluster with Fermi-LAT. Assuming that this gamma-ray emission arises from hadronic interactions in the ICM, we aim at exploring the implication of this signal on the cosmic ray content of the Coma cluster. We use the MINOT software to build a physical model of the cluster and apply it to the Fermi-LAT data. We also consider contamination from compact sources and the impact of various systematic effects. We confirm that a significant gamma-ray signal is observed within the characteristic radius $ heta_{500}$ of the Coma cluster, with a test statistic TS~27 for our baseline model. The presence of a possible point source may account for most of the observed signal. However, this source could also correspond to the peak of the diffuse emission of the cluster itself and extended models match the data better. We constrain the cosmic ray to thermal energy ratio within $R_{500}$ to $X_{ m CRp}=1.79^{+1.11}_{-0.30}$\% and the slope of the energy spectrum of cosmic rays to $\alpha=2.80^{+0.67}_{-0.13}$. Finally, we compute the synchrotron emission associated with the secondary electrons produced in hadronic interactions assuming steady state. This emission is about four times lower than the overall observed radio signal, so that primary cosmic ray electrons or reacceleration of secondary electrons is necessary to explain the total emission. Assuming an hadronic origin of the signal, our results provide the first quantitative measurement of the cosmic ray proton content in a cluster.[Abridged]

연구 동기 및 목표

• 페르미-LAT가 탐지한 코마 은하단 방향의 산산이 흩어진 감마선 방출의 기원을 조사하는 것.
• 이 방출이 은하단 내부 매질(ICM)에서의 핵반응에 기인하는지, 또는 점원천에 기인하는지 확인하는 것.
• 핵반응 시나리오 하에서 코마 은하단 내 간섭 우주선 양성자 함량을 정량화하는 것.
• 2차 전자 군집의 잠재적 영향과 관측된 전파 방출을 설명하는 데서의 역할 평가.
• 현재 및 향후 관측소에서 산산이 흩어진 핵반응 감마선 방출의 탐지 가능성 평가.

제안 방법

• 열기체, 자기장, 간섭 우주선을 포함한 MINOT 소프트웨어를 사용해 코마 은하단을 모델링.
• 로사트 X선 및 플랑크 tSZ 관측 결과를 제약 조건으로 삼아 페르미-LAT 데이터의 박스형 최대우도 분석 수행.
• X선, tSZ, 전파, 은하 밀도 지도로부터 2차원 공간 템플릿을 구성하여 간섭 우주선 양성자 분포 모델링.
• 점원천(4FGL J1256.9+2736)을 포함하고, 확산된 은하단 방출 모델을 테스트하여 상관관계 분석 수행.
• 정상 상태 핵반응에서 2차 전자로부터 유도된 싱크로트론 방출 계산.
• MCMC 샘플링을 적용하여 간섭 우주선 양성자 정규화 및 스펙트럼 지수 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 코마 은하단 방향 감마선 방출이 은하단 내부 매질에서의 핵반응과 일치하는가?
• RQ2 이 신호의 어느 정도가 점원천에 기인한 것인지, 확산된 은하단 방출에 기인한 것인지?
• RQ3 코마 은하단 내 간섭 우주선 양성자 에너지 밀도는 열에너지 대비 어느 정도인가?
• RQ4 핵반응에서 생성된 2차 전자가 관측된 전파 방출을 설명할 수 있는가?
• RQ5 전체 전파 신호를 설명하기 위해 재가속 또는 원천 전자 군집의 영향은 어떤가?

주요 결과

• 산산이 흩어진 감마선 신호가 R500 내에서 테스트 통계 TS ≃ 27로 탐지되었으며, 이는 약 5.2σ의 유의수준을 보이며 ICM 내 물리적 기원을 지지한다.
• R500 내 간섭 우주선 대 열에너지 비율은 XCRp = 1.79+1.11−0.30%로 제약되며, 간섭 우주선 양성자가 열에너지의 약 1.79%를 차지함을 시사한다.
• 간섭 우주선 양성자 스펙트럼의 스펙트럼 지수 α = 2.80+0.67−0.13로, 일반적으로 가정되는 것보다 더 딱딱한 경향을 보이며, 더 약한 충격에서의 가속을 암시할 수 있다.
• 정상 상태 핵반응 모델에서 2차 전자로부터 유도된 싱크로트론 방출은 관측된 전파 방출의 약 25%에 불과하여 순수 핵반응 기원의 전파 홀로를 배제한다.
• 원천 간섭 우주선 전자 또는 2차 전자의 재가속 기여가 필수적이며, 재가속 효율은 간섭 우주선 양성자 분포에 따라 반경이 증가함에 따라 증가한다.
• 결과적으로, 테바 에너지에서 은하단 내 산산이 흩어진 핵반응 감마선 방출이 이전에 생각한 것보다 더 약할 수 있으며, 향후 체렌코프 망원경 앙상블과 같은 지상 기반 천체망원경으로서의 탐지 가능성에 도전을 제기한다.