[論文レビュー] A 3D time-dependent model for Galactic cosmic rays and gamma rays

A. W. Strong, I. V. Moskalenko|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、銀河的宇宙線およびガンマ線の3次元時間依存モデルを提示し、確率的超新星残骸（SNR）源を明示的に組み込んで、電子および逆コンプトンガンマ線放射を研究する。高エネルギー電子分布における顕著な空間的フラクチュエーションが存在するが、モデルはEGRETのGeVガンマ線過剰を説明するには不十分である。一方、GLASTが検出可能な高エネルギーガンマ線における明著なクラスタリングを生じさせ、予測されるTeV放射はウィップル観測所の上限と整合的である。

ABSTRACT

In studies of cosmic-ray (CR) propagation and diffuse continuum gamma-ray emission from the Galaxy it has usually been assumed that the source function can be taken as smooth and time-independent. However, especially for electrons at high energies where energy losses are rapid, the effect of the stochastic nature of the sources becomes apparent and indeed has been invoked to explain the GeV excess in the diffuse emission observed by EGRET. In order to address this problem in detail a model with explicit time-dependence and a stochastic SNR population has been developed, which follows the propagation in three dimensions. The results indicate that although the inhomogeneities are large they are insufficient to easily explain the GeV excess. However the fluctuations should show up in the gamma-ray distribution at high energies and this should be observable with GLAST. Estimates of the TeV continuum emission from the plane are consistent with the Whipple upper limit.

研究の動機と目的

• EGRETが観測した拡散銀河ガンマ線放射における説明のつかないGeV過剰を、確率的かつ時間依存的な宇宙線源が説明できるかどうかを調査すること。
• 3次元的に、不均一な超新星残骸（SNR）分布が電子の伝搬および逆コンプトンガンマ線放射に与える影響をモデル化すること。
• 空間的フラクチュエーションを含めた場合に、硬い電子注入スペクトル（指数1.8）が局所的電子スペクトルと拡散ガンマ線データを一致させられるかどうかを評価すること。
• 予測されるTeV領域の拡散ガンマ線放射を評価し、ウィップル観測所の上限と比較すること。

提案手法

• 確率的SNRイベントを源として用いる3次元時間依存的宇宙線伝搬モデルを構築し、平均イベントレート $ t_{\text{SNR}} $ およびCR生成持続時間 $ t_{\text{CR}} $ を組み込む。
• 空間的フラクチュエーションが局所的電子スペクトルとEGRETのGeV過剰を一致させられるかどうかをテストするため、硬い電子注入スペクトル（スペクトル指数1.8）を用いる。
• 空間的不均一性と時間依存的寄与を考慮した3次元で、電子のエネルギー損失および伝搬をシミュレートする。
• シミュレートされた電子分布からの逆コンプトンガンマ線放射を計算し、異なる銀河的経度およびエネルギーにおけるエネルギー依存性を持つ放射スペクトルを算出する。
• モデルはMeVからTeVエネルギー領域における拡散ガンマ線スペクトルを予測し、EGRET、COMPTEL、OSSE、ウィップルのデータと比較する。
• SNRレートの変動に対する感度を評価するため、$ t_{\text{SNR}} = 10^4 $ および $ 10^5 $ 年のシナリオをシミュレートし、それぞれ1世紀あたり3および0.3個のSNRに対応させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的かつ時間依存的なSNR源が、EGRETが測定した拡散銀河ガンマ線スペクトルにおける観測されたGeV過剰を説明できるか。
• RQ2 離散的SNRイベントに起因する電子分布の空間的不均一性が、高エネルギー領域における予測される逆コンプトンガンマ線放射にどの程度影響を与えるか。
• RQ3 空間的フラクチュエーションを含めた場合に、硬い電子注入スペクトル（指数1.8）が局所的電子スペクトルと拡散ガンマ線データの両方に整合的であるか。
• RQ4 銀河平面からのTeV領域の拡散ガンマ線放射の予測レベルは何か。また、ウィップル観測所の上限と比較するとどうなるか。
• RQ5 SNRレートの変動が、高エネルギー領域における観測されるガンマ線の形状およびスペクトルフラクチュエーションにどのように影響を与えるか。

主な発見

• モデルは、高エネルギー電子分布が確率的SNR源により特にTeVエネルギー領域で著しく不均一になるが、その結果生じるガンマ線放射のフラクチュエーションは、EGRETのGeV過剰を説明するには不十分であることを示している。
• GeVエネルギー領域では、宇宙線の滞在時間が長いので電子分布は比較的滑らかであり、太陽付近のスペクトルフラクチュエーションは局所的に観測された急勾配の電子スペクトルと一致しない。
• 標準的なSNRレート（1世紀あたり3個）の場合、逆コンプトンガンマ線放射は高エネルギー領域でますますクラスタリングが顕著になり、10 GeV以上のエネルギーでGLAST望遠鏡が検出可能な特徴が予測される。
• 硬い電子注入スペクトル（指数1.8）と最大電子エネルギー100 TeVを仮定しても、予測されるTeVガンマ線放射は $ l = 40^\circ $ におけるウィップルの上限を下回り、現在の観測と整合的である。
• 1 TeVでの局所的スペクトルを再現するには、SNRレートを0.3（1世紀あたり）に低下させる必要があるが、これは1SNRあたりのCR発光度が極めて高い（$ 2 \times 10^{51} $ erg）ことを意味し、このような状況は現実的ではない。
• 注入におけるスペクトル指数の分散を組み込んでも、局所データとの一致は顕著に改善されない。なぜなら、多くのSNRが1 TeVでの局所的電子フラックスに寄与しているためである。