[논문 리뷰] Star-forming galaxies as the origin of IceCube neutrinos: Reconciliation with Fermi-LAT gamma rays

Sovan Chakraborty, Ignacio Izaguirre|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초신성 및 초신성 잔재에서의 강입자 상호작용을 통해, 특히 성간성 은하(Starburst Galaxies, SBGs)가 아이스컵의 확산 고에너지 중성자비를 주로 공급하는 것으로 제안한다. 이는 아이스컵의 중성자비와 페르미-LAT의 감마선 제한 사이의 갈등을 해결하며, SBGs 내부의 간섭 및 간행성 간 감쇠로 인해 캐스케이드 감마선 성분이 억제되어, 강입자 중성자비 생성에도 불구하고 예측된 확산 감마선 플럭스가 현재 관측 제한과 호환됨을 보여준다.

ABSTRACT

Cosmic ray accelerators like supernova and hypernova remnants in star forming galaxies are one of the most plausible sources of the IceCube observed diffuse astrophysical neutrinos. The neutrino producing hadronic processes will also produce a diffuse gamma ray flux, constrained by the Fermi-LAT bounds. The fact that point sources like blazars also contribute to the diffuse gamma ray flux implies large gamma opacity of the neutrino sources. Indeed, for these high redshift star forming galaxies the gamma absorption during the intergalactic propagation can be significant. In addition, large gamma attenuation inside these extreme source galaxies can reduce the cascade component of the diffuse flux. Under the current astrophysical uncertainties affecting these absorptions processes, we find the associated diffuse gamma ray flux can remain compatible with the current Fermi-LAT bounds.

연구 동기 및 목표

• 아이스컵에서 관측된 확산 중성자비 플럭스와 페르미-LAT가 측정한 등방성 확산 감마선 배경(IGRB) 사이의 명백한 갈등을 해결하기 위해.
• 성간성 은하(SFGs)에서의 강입자 모델이 확산 감마선 플럭스에 대한 페르미-LAT 제약 조건을 유지할 수 있는지 조사하기 위해.
• SFGs에서의 확산 감마선 스펙트럼에 미치는 간행성 및 은하 내 감쇠의 영향을 평가하기 위해.
• 특히 SBGs에서 관측된 중성자비 플럭스가 IGRB와 충돌하지 않도록 하면서도 감마선을 과도하게 생성하지 않는지 평가하기 위해.
• GeV-TeV 범위의 확산 감마선 플럭스에서 눈에 띄는 초과가 관측되지 않는다는 점이 아이스컵 중성자비의 기원으로서 SFGs를 배제할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초신성 잔재(SNRs)와 초신성 잔재(HNRs)의 기여를 통해 SFGs에서의 확산 중성자비 플럭스를 모델링하며, 이는 강입자 상호작용에 의한 π 중간입자 붕괴를 통해 발생한다.
• 동일한 강입자 과정에서 중성자 π 중간입자 붕괴에 의해 발생하는 주된 감마선 성분을 계산한다.
• 특히 고적색 이동도를 가진 SBGs에 대해, 우주 마이크로파 배경(CMB)과 간행성 배경 빛(EBL)과의 γγ 상호작용을 통한 간행성 감쇠를 포함한다.
• 고밀도 광자 밀도와 강한 자기장으로 인해 SBGs 내부에서 발생하는 은하 내 감쇠를 포함하며, 이는 전자-양전자 쌍의 싱크로트론 복사에 의해 캐스케이드 성분이 억제된다.
• 총 예측된 확산 감마선 플럭스(주성분 및 캐스케이드 성분 포함)를 페르미-LAT의 IGRB 제한, 특히 약 14–32%의 비블라자 기여 제약과 비교한다.
• 근처의 SBGs에서의 관측 데이터를 활용하여 고적색 이동도를 가진 SBGs의 크기, 밀도, 자기장 강도에 대한 가정을 설정하며, 이를 보수적인 추정치로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스컵의 확산 중성자비가 성간성 은하에서 강입자 기원을 가질 수 있는지, 페르미-LAT의 확산 감마선 배경 제한과 일치하는가?
• RQ2 고적색 이동도를 가진 성간성 은하에서의 확산 감마선 플럭스의 캐스케이드 성분은 어느 정도 간행성 감쇠에 의해 억제되는가?
• RQ3 고밀도 광자 밀도와 자기장으로 인한 은하 내 감쇠는 성간성 은하 내 예측된 확산 감마선 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 은하 내 감쇠로 인해 캐스케이드 성분이 억제됨으로써, 관측된 중성자비 플럭스와 IGRB 상한선 사이의 갈등이 완화되는가?
• RQ5 중성자비 스펙트럼에서 약 100 테바전자볼트 근처에 나타나는 스펙트럼의 끊김은 감쇠에 덜 민감한 중성자비가 감쇠에 덜 영향을 받기 때문에, 천체 중성자비 기원 모델을 더 견고하게 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 간행성 및 은하 내 감쇠의 병합 효과로 인해 성간성 은하에서의 확산 감마선 플럭스의 캐스케이드 성분이 크게 억제된다.
• 흥미롭게도, SBGs 내 고자기장은 전자-양전자 쌍의 싱크로트론 복사로 인해 GeV-TeV 감마선 플럭스를 증가시키기보다는 더욱 감소시킨다.
• 현재 천체물리학적 불확실성 범위 내에서 SFGs에서 예측된 총 확산 감마선 플럭스는 페르미-LAT의 IGRB 제한과 호환되며, 특히 비블라자 기여 제한 약 14–32%와 잘 맞는다.
• GeV-TeV 범위의 확산 감마선 플럭스에서 눈에 띄는 초과가 관측되지 않더라도, SFGs가 아이스컵의 확산 중성자비의 주요 기원이 될 수 있음을 배제할 수 없다.
• SNR와 HNR의 기여가 별개로 존재하는 모델에서 예측되는 약 100 테바전자볼트 근처의 중성자비 스펙트럼 끊김은 감쇠에 덜 영향을 받고, 천체 중성자비 기원의 진정한 기원을 더 견고하게 시험할 수 있는 도구로 남아 있다.
• 이 연구는 SFGs와 아이스컵 중성자비를 연결하는 다메시저러피적 그림이 여전히 타당하며, 현재의 천체물리학적 가정 하에 페르미-LAT와의 갈등은 통계적으로 의미가 없다고 결론을 내린다.