[논문 리뷰] Particle acceleration and multimessenger emission from starburst-driven galactic winds

Enrico Peretti, Giovanni Morlino외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 22.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 110인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 은하형성 폭발에 의해 유도되는 은하 외풍의 종료 충격에서 입자 가속화를 조사하며, 이러한 충격이 약 ~300 PeV까지의 간성선을 생성할 수 있음을 보여준다. 이들 외풍 기포에서는 검출 가능한 확산 감마선 및 뉴트리노 방출이 예측되며, 특히 300 TeV 이상에서 뉴트리노 방출이 지배적이며 아이스컵의 관측 데이터와 일치한다. 또한 이러한 근원으로부터의 간성선 플럭스는 관측과 일치하며, 약 10^17 eV 근처의 간성선 외부 우주 플럭스에 기여할 수 있다.

ABSTRACT

The enhanced star forming activity, typical of starburst galaxies, powers strong galactic winds expanding on kiloparsec (kpc) scales and characterized by bubble structures. Here we discuss the possibility that particle acceleration may take place at the termination shock of such winds. We calculate the spectrum of accelerated particles and their maximum energy, that turns out to range up to a few hundred petaelectronvolt (PeV) for typical values of the parameters. Cosmic rays accelerated at the termination shock are advected towards the edge of the bubble excavated by the wind and eventually escape into extragalactic space. We also calculate the flux of gamma rays and neutrinos produced by hadronic interactions in the bubble as well as the diffuse flux resulting from the superposition of the contribution of starburst galaxies on cosmological scales. Finally, we compute the diffuse flux of cosmic rays from starburst bubbles and compare it with existing data.

연구 동기 및 목표

• 은하형성 폭발에 의해 유도되는 은하 외풍의 종료 충격이 입자 가속화의 장소로 기능하는지 조사하기.
• 외풍 기포 내에서의 핵반응에 기인한 다중메신저 방출(감마선 및 뉴트리노)을 모델링하기.
• 은하형성 외풍 기포에서 탈출하는 간성선의 확산 플럭스를 추정하고 관측 데이터와 비교하기.
• 특히 고에너지 감마선 및 뉴트리노 영역에서 현재 및 향후 관측소를 통해 이러한 방출이 검출 가능한지 평가하기.

제안 방법

• 외풍 종료 충격에서의 확산 충격 가속(DSA)에 대한 반분석 모델을 사용하며, 충격 파rameter와 플라즈마 조건을 포함한다.
• 외풍 기포 내에서 고에너지 입자의 확산, 유동, 애디아바틱 에너지 손실 및 치명적 손실을 고려한 운반 모델을 적용한다.
• 외풍 기포 내에서의 pp 및 pγ 상호작용에 기인한 감마선 및 뉴트리노 플럭스를 계산하며, 대상 밀도와 자기장 조건을 고려한다.
• 우주론적 척도에서 모든 은하형성 은하의 초합산을 통해 간성선의 확산 플럭스를 추정한다.
• 이론적 예측을 페르미-LAT, 아이스컵, 간성선 관측소 데이터(IceTop, KASCADE-GRANDE, Tunka)와 비교한다.
• 특히 고에너지 감마선 영역에서 형태학적 및 스펙트럼적 특징을 중심으로, 향후 시설(Crab Telescope Array, ASTRI)의 검출 가능성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하형성 폭발에 의해 유도되는 은하 외풍의 종료 충격에서 입자 가속화가 수백 PeV에 이르는 간성선을 생성할 수 있는가?
• RQ2 은하형성 은하의 초합산으로부터 기대되는 감마선 및 뉴트리노의 확산 플럭스는 얼마이며, 관측 제약과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하형성 외풍 기포에서 유래하는 간성선 플럭스는 관측된 외부 우주 간성선 스펙트럼(약 10^17 eV 근처)과 일치하는가?
• RQ4 향후 고에너지 감마선 및 뉴트리노 관측소는 외풍 기포의 방출과 중심 은하형성 핵의 방출을 구별할 수 있는가?
• RQ5 검출 가능한 뉴트리노 플럭스를 생성하기 위해 은하형성 외풍가 요구하는 조건(예: 질량 손실률, 충격 강도 등)은 무엇인가?

주요 결과

• 일반적인 파rameter 조건에서 외풍 종료 충격에서 가속된 입자의 최대 에너지는 약 ~300 PeV에 이르며, 낮은 에너지에서는 스펙트럼이 E^-4에 가까운 편이다.
• 은하형성 은하에서의 확산 감마선 플럭스는 ~1 TeV 이하에서는 중심 은하형성 핵이 지배적이지만, 고에너지 영역에서는 외풍 기여가 유사한 크기로 증가한다.
• 외풍 영역에서의 뉴트리노 방출은 약 ~300 TeV까지 연장되며, ~50 TeV 이상에서 확산 플럭스를 지배하며 아이스컵 관측 결과와 일치한다.
• 은하형성 외풍 기포에서 탈출하는 간성선의 확산 플럭스는 현재의 관측과 일치하며, 수백 PeV 이하의 에너지에서 피크를 이룬다.
• 이 모델은 초광도 은하형성 또는 AGN 활동이 있는 은하형성은 수백 PeV 이상의 에너지를 가진 간성선을 생성할 수 있다고 예측한다.
• CTA 및 ASTRI를 통해 외풍 기포의 고에너지 감마선 방출이 검출 가능하며, 특히 적외선 광자에 의해 흡수되지 않는 스펙트럼적 특징을 통해 검출이 가능하다.