[논문 리뷰] Stellar Photon and Blazar Archaeology with Gamma-rays

F. W. Stecker|ArXiv.org|2007. 09. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블라자르 스펙트럼 내 고에너지 감마선 흡수 특징을 활용하여 초기 우주의 간성간 배경 빛(IBL) 및 별 형성의 역사를 재구성하는 방법, 즉 '블라자르 고고학'을 제안한다. GLAST에서 확보한 다이오드-게르마늄 감마선 데이터의 날카로운 스펙트럼 절단을 분석함으로써 과거 IBL 광자 밀도를 추론하고, 감지되지 않은 희미한 은하들로부터의 총 별 형성률을 제약하며, 이러한 절단을 적색편이 지표로 활용함으로써 고적색편이에서의 우주 진화 및 블라자르 진화를 새로운 방식으로 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

Ongoing deep surveys of galaxy luminosity functions, spectral energy distributions and backwards evolution models of star formation rates can be used to calculate the past history of intergalactic photon densities and, from them, the present and past optical depth of the universe. This procedure can be reversed by looking for sharp cutoffs in the spectra of extragalactic gamma-ray sources at high redshifts in the multi-GeV energy range with GLAST. Determining the cutoff energies of sources with known redshifts and little intrinsic absorption can enable a more precise determination of the past intergalactic photon density and thus allow a better determination of the past history of the total star formation rate, including that from galaxies too faint to be observed. Conversely, observations of sharp high energy cutoffs in the gamma-ray spectra of blazars at unknown redshifts can be used instead of spectral lines to give a measure of their redshifts. Also, given a knowledge photon densities, one can derive the intrinsic gamma-ray spectra and luminosities of blazars over a range of redshifts and look for possible trends in blazar evolution. I present some evidence hinting that TeV blazars with flatter spectra have higher intrinsic TeV gamma-ray luminosities and that there may be a correlation of flatness and luminosity with redshift. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 블라자르 스펙트럼 내 감마선 흡수 특징을 활용하여 초기 우주의 간성간 배경 빛(IBL) 및 별 형성의 역사를 재구성하는 것.
• 고적색편이 블라자르의 GLAST 관측을 통해 과거 IBL 광자 밀도인 '고고학적 IBL'을 측정함으로써 깊은 탐사에서 감지되지 않는 은하들로부터의 별 형성률을 탐색하는 것.
• 전통적인 스펙트럼선 대신 스펙트럼 절단을 이용하여 고에너지 감마선 천체의 적색편이를 추정하는 방법을 개발하는 것.
• 감마선 데이터를 활용하여 블라자르의 스펙트럼 경도, 빛의 세기 및 적색편이 간 잠재적 상관관계를 조사하는 것.

제안 방법

• 딥 서베이(스피처, 허블, GALEX)에서 확보한 은하의 빛의 세기 함수 및 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 역행적으로 모델링하여 과거 간성간 광자 밀도를 추정하는 것.
• 적색편이 및 에너지의 함수로 하이퍼론 감마선 쌍생성에 대한 광학적 두께를 계산하는 것.
• 고적색편이 블라자르에서 관측된 감마선 스펙트럼 절단을 이용하여 과거의 IBL 광자 밀도(고고학적 IBL)를 추론하는 것.
• 에너지에 따라 변하는 감마선 광학적 두께 공식 τ(Eγ) ≈ ∫ dz ∫ dEphoton n(photon, z) σ_pair(Eγ, Ephoton)을 활용하여 흡수 특징을 모델링하는 것.
• 유도된 IBL 광학적 두께로 관측된 스펙트럼을 역디컨볼루션하여 본질적인 블라자르 감마선 스펙트럼을 재구성하는 것.
• GLAST의 5–20 GeV 범위에서의 감도를 활용하여 알려진 적색편이를 가진 블라자르의 절단을 탐지하고, 확산 외계 감마선 배경을 탐색하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색편이 블라자르에서 관측된 감마선 스펙트럼 절단은 과거의 간성간 배경 빛(IBL)을 이른 우주의 시기에 재구성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 알려진 적색편이에서 관측된 블라자르 스펙트럼의 절단 에너지가, 감지되지 않은 희미한 은하들까지 포함한 총 별 형성률을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 알 수 없는 적색편이를 가진 천체에서 관측된 고에너지 스펙트럼 절단의 날카로움이 전통적인 광학 스펙트럼선 대신 적색편이 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ4 본질적인 블라자르 빛의 세기와 테바론 에너지에서의 스펙트럼 지수 사이에 상관관계가 있는가? 그리고 이 관계는 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 GLAST가 5–20 GeV 범위에서 수천 개의 블라자르를 관측함으로써 IBL 진화 및 고적색편이 은하의 먼지 흡수율을 어떻게 더 엄밀히 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 GLAST가 다이오드-게르마늄 범위에서 적색편이 z ≥ 2인 블라자르를 탐지하고 그 핵심 절단 에너지를 측정할 수 있으며, 이를 통해 직접적으로 고고학적 IBL를 탐사할 수 있다고 예측한다.
• 고적색편이 블라자르 스펙트럼 내 날카로운 스펙트럼 절단은 주로 라이만 한계(13.6 eV)에서의 흡수로 인해 발생하며, τ = 1 근처에서 광학적 두께의 에너지 의존성이 더 급격해진다.
• 이 방법은 과거의 IBL 광자 밀도를 결정하는 데 도움을 주며, 특히 깊은 적외선 및 자외선 서베이에서 감지되지 않는 희미한 은하들로부터의 밀도를 포함한다.
• 알 수 없는 적색편이를 가진 천체에서의 절단 관측은 광학 스펙트럼학 대체로 적색편이 추정 지표로 사용될 수 있다.
• 테바론 블라자르에서의 증거는 더 평탄한 본질적 스펙트럼과 더 높은 본질적 빛의 세기 사이에 잠재적 상관관계가 있음을 시사하며, 이는 적색편이에 따라 제트 성질의 진화 가능성을 암시한다.
• GLAST의 5–20 GeV 범위에서의 관측은 감마선 스펙트럼에 대한 자외선 광자 밀도의 평균을 측정함으로써 고적색편이 은하의 먼지 흡수율을 제약하는 데 기여할 수 있다.