[논문 리뷰] The Cosmological Evolution of Blazars and the Extragalactic Gamma-Ray Background in the Fermi Era

Yoshiyuki Inoue, Tomonori Totani외 4명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 31.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블라자르 스펙트럼 에너지 분포(SpE) 시퀀스와 광도에 의존하는 밀도 진화(LDDE)를 사용하여 은하간 감마선 배경(EGRB)에 대한 비트ivial한 모델을 제안하며, 페르미의 EGRB 스펙트럼과 뛰어난 일치를 보인다. 주요 결과는 블라자르가 EGRB를 지배하며, 100 MeV 이상에서 전체 조도의 약 45% 기여하며, 비블라자르 AGN은 낮은 에너지에서 상당한 기여를 한다. 페르미는 5년 동안 약 1,200개의 블라자르를 탐지할 것으로 예측되며, 이 중 일부는 z ~ 6까지의 고적도 블라자르를 포함한다.

ABSTRACT

The latest determination of the extragalactic gamma-ray background (EGRB) radiation by Fermi is compared with the theoretical prediction of the blazar component by Inoue & Totani (2009; hereafter IT09). The Fermi EGRB spectrum is in excellent agreement with IT09, indicating that blazars are the dominant component of the EGRB, and contributions from any other sources (e.g., dark matter annihilations) are minor. It also indicates that the blazar SED (spectral energy distribution) sequence taken into account in IT09 is a valid description of mean blazar SEDs. The possible contribution of MeV blazars to the EGRB in the MeV band is also discussed. In five total years of observations, we predict that Fermi will detect ~1200 blazars all sky down to the corresponding sensitivity limit. We also address the detectability of the highest-redshift blazars. Updating our model with regard to high-redshift evolution based on SDSS quasar data, we show that Fermi may find some blazars up to z~6 during the five-year survey. Such blazars could provide a new probe of early star and galaxy formation through GeV spectral attenuation signatures induced by high-redshift UV background radiation.

연구 동기 및 목표

• 페르미 시대 데이터를 활용하여 블라자르 SED 시퀀스가 은하간 감마선 배경(EGRB)을 예측하는 데 타당한지 테스트하는 것.
• 메브에서 지그레브 에너지 영역에서 블라자르와 비블라자르 AGN이 EGRB에 기여하는 비율을 규명하는 것.
• 5년 조사 기간 동안 페르미가 탐지할 수 있는 블라자르의 수를 예측하는 것, 고적도 소스 포함.
• 고적도 블라자르(z ~ 6)의 탐지 가능성 평가 및 고적도 우주에서의 UV 배경과 초기 은하 형성 탐사에 대한 잠재적 기여 여부 분석.

제안 방법

• X선 AGN 광도 함수를 기반으로 블라자르 감마선 광도 함수(GLF) 모델을 구축하며, 블라자르 SED 시퀀스와 광도에 의존하는 밀도 진화(LDDE)를 통합한다.
• SED 시퀀스를 사용해 블라자르의 스펙트럼 에너지 분포를 모델링하며, 피크 주파수와 광도가 전체 광도와 상관관계가 있음을 반영한다.
• 우주론적 진화와 광자 전파 효과를 고려해 적분을 통해 GLF를 적분하여 EGRB 스펙트럼을 예측한다.
• 예측된 EGRB 스펙트럼을 페르미의 관측된 EGRB 데이터와 비교하며, 스펙트럼의 100 GeV 연장 부분까지 포함한다.
• 1년 및 5년 조사에서 100 MeV 이상에서 3×10⁻⁹ 및 1×10⁻⁹ 광자 cm⁻² s⁻¹의 감도 한계를 사용해 탐지 가능한 블라자르 수를 추정한다.
• SDSS 퀘이사 데이터로부터의 고적도 진화 제약 조건을 업데이트하여 GLF 모델을 개선하고, z ~ 6까지의 블라자르 탐지 가능성 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블라자르 SED 시퀀스는 페르미 관측과 일치하는 타당하고 비트ivial한 EGRB 스펙트럼 예측을 제공하는가?
• RQ2 100 MeV 이상의 EGRB에서 블라자르와 비블라자르 AGN이 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 페르미는 5년 임무 기간 동안 몇 개의 블라자르를 탐지할 수 있으며, 기대되는 적도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 고적도 블라자르(z ~ 6)는 페르미로 탐지 가능할 수 있으며, 그 스펙트럼은 고적도 우주에서의 UV 배경에 대한 서류를 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• SED 시퀀스와 LDDE 모델을 사용한 블라자르 기반 예측 EGRB 스펙트럼은 페르미의 관측된 EGRB 스펙트럼과 뛰어난 일치를 보이며, 모델의 타당성을 확인한다.
• 블라자르는 관측된 EGRB 조도의 약 45%를 100 MeV 이상에서 기여하며, 비블라자르 AGN은 낮은 에너지에서 상당한 기여를 한다.
• 100 MeV 이상에서 감도 한계가 1×10⁻⁹ 광자 cm⁻² s⁻¹일 경우, 페르미는 5년 조사 기간 동안 약 1,200개의 블라자르를 탐지할 것으로 예측된다.
• 모델은 EGRB 조도의 98% 이상을 블라자르에서 기인하는 이산 소스로 분해할 것으로 예측하며, 비블라자르 AGN 기여의 0.1% 미만만 분해 가능할 것으로 예측한다.
• z ~ 6까지의 고적도 블라자르는 페르미로 탐지 가능할 것으로 예측되며, 지그레브 스펙트럼 감쇠를 통해 고적도 은하간 UV 배경을 탐사하는 데 새로운 수단이 될 수 있다.
• 메브 EGRB의 주요 기여 성분은 이전에 제안된 '메브 블라자르'가 아니라 비열적 코로나 전자 모델에 기반해 비블라자르 AGN임을 확인한다.