[논문 리뷰] Photon-ALP oscillations from a blazar to us up to 1000 TeV

Giorgio Galanti, F. Tavecchio외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 블라자로부터 온 매우 높은 에너지(VHE) 광자에서 광자-압축형입자(AXP) 진동을 연구하며, 다양한 천체물리 환경에서의 현실적인 자기장 모델을 적용한다. 이는 CTA 및 HAWC와 같은 향후 관측소에서 검증 가능한 스펙트럼 진동과 20 테라전자볼트 이상에서 광자 과잉을 예측하며, ALPS II 및 IAXO와 같은 실험실 실험에서도 검출 가능하다.

ABSTRACT

Prompted by the increasing interest of axion-like particles (ALPs) for very-high-energy (VHE) astrophysics, we have considered a full scenario for the propagation of a VHE photon/ALP beam emitted by a BL Lac and reaching us in the light of the most up-to-date astrophysical information and for energies up to above $100 \, m TeV$. During its trip, the beam -- generated in a small region of a BL Lac jet -- crosses a variety of magnetic structures in very different astronomical environments: the BL Lac jet, the host elliptical galaxy, the extragalactic space and the Milky Way. We have taken an effort to model all these magnetic fields in the most realistic fashion and using a new model developed by us concerning the extragalactic magnetic field. Assuming an intrinsic spectrum with a power law exponentially truncated at a fixed cut-off energy, we have evaluated the resulting observed spectra of Markarian 501, the extreme BL Lac 1ES 0229+200 and a similar source located at $z = 0.6$ up to above $100 \, m TeV$. We obtain interesting results: the model with photon-ALP oscillations possesses features (spectral energy oscillatory behaviour and photon excess above $20 \, m TeV$) which can be tested by $\gamma$-ray observatories like CTA, HAWC, GAMMA 400, LHAASO, TAIGA-HiSCORE and HERD. In addition, our ALP can be detected in dedicated laboratory experiments like the upgrade of ALPS II at DESY, the planned IAXO and STAX experiments, as well as with other techniques developed by Avignone and collaborators.

연구 동기 및 목표

• 우주 전역의 다양한 자기장에서 블라자로부터 온 VHE 광자 및 AXP의 전파를 모델링하기 위해.
• 제트, 주변 은하, 간성간 공간, 은하수 내에서의 현실적인 자기장 구조가 광자-AXP 진동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 마르카리안 501 및 1ES 0229+200와 같은 극단적 BL Lac 물체의 관측 스펙트럼을 100 테라전자볼트 이상의 에너지까지 평가하기 위해.
• 현재 및 향후 감마선 관측소와 실험실 실험에서 검증 가능한 광자-AXP 진동의 관측 가능 서명을 식별하기 위해.

제안 방법

• 새로운 외성간 자기장 모델을 개발하고 종합적인 전파 프레임워크에 통합하였다.
• 빔의 진화를 제트, 주변 타원은하, 간성간 매질, 은하수 등 여러 자기장 환경에서 시뮬레이션하였다.
• 고정된 에너지에서 지수적 절단이 있는 거듭제곱 법칙으로 내재된 광자 스펙트럼을 모델링하여 에너지 의존적 진동 효과를 허용하였다.
• 변하는 자기장 강도와 방향을 고려하여 효과적 라그랑지안 및 혼합 각도 형식을 사용해 광자-AXP 진동을 계산하였다.
• 다른 적색편이(예: z = 0.6)를 가진 소스 간에 관측된 스펙트럼을 비교하여 에너지 의존적 특징을 평가하였다.
• CTA, HAWC, GAMMA 400, LHAASO, TAIGA-HiSCORE, HERD와 같은 관측소뿐 아니라 ALPS II, IAXO, STAX와 같은 실험실 실험을 위한 예측을 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트, 주변 은하, 간성간 매질, 은하수 내에서의 현실적인 자기장 구성이 블라자로부터 온 VHE 광자에서의 광자-AXP 진동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 20 테라전자볼트 이상의 에너지에서 광자-AXP 진동으로 인해 관측된 에너지 스펙트럼에 어떤 스펙트럼 특징이 나타나는가?
• RQ3 현재 및 향후 감마선 관측소에서 검출 가능한 20 테라전자볼트 이상의 측정 가능한 광자 과잉이 모델에 의해 예측되는가?
• RQ4 이 시나리오에서 예측된 압축형입자를 검출하는 데 가장 민감한 실험실 실험은 무엇인가?
• RQ5 소스의 적색편이와 내재된 스펙트럼 절단이 진동 서명의 검출 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다양한 자기장에서의 광자-AXP 혼합으로 인해 명확한 스펙트럼 에너지 진동 행동이 예측된다.
• 20 테라전자볼트 이상에서 측정 가능한 광자 과잉이 예측되며, 이는 CTA, HAWC 및 기타 고에너지 감마선 기구에서 관측될 수 있다.
• 예측된 스펙트럼 특징은 z = 0.6 포함한 다양한 소스 적색편이에서 안정적이며, 검출 가능성 향상에 기여한다.
• 이 모델의 예측은 LHAASO, GAMMA 400, HERD, TAIGA-HiSCORE와 같은 향후 관측소에서 검증 가능하다.
• 이 시나리오의 압축형입자는 전용 실험실 실험을 통해 검출 가능하며, DESY의 업그레이드된 ALPS II 및 계획 중인 IAXO, STAX 실험을 포함한다.
• 새로운 외성간 자기장 모델의 통합은 광자-AXP 진동 프레임워크의 현실성과 예측 능력을 향상시킨다.