[論文レビュー] A new model for the extragalactic gamma-ray background

Massimo Cavadini, R. Salvaterra+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、Fermi-LATが観測した銀河間ガンマ線背景（EGB）を説明する3成分モデルを提案する：ブレーザー、非ビーム化活動銀河核（AGN）、星形成銀河における宇宙線誘発π中間子崩壊。モデルは0.1–100 GeVのEGBに適合し、10 GeV以上ではブレーザーが支配的、低エネルギー帯では非ビーム化AGN、中間エネルギー帯では星形成銀河が寄与するが、70 GeV以上で残余の過剰が観測され、これはダークマター散乱による説明が可能である可能性がある。

ABSTRACT

We present a two-parameter model of the extragalactic gamma-ray background (EGB) in the 0.1-100 GeV range as measured by the Large Area Telescope (LAT) onboard the Fermi satellite. The EGB can be fully explained as the sum of three distinct components, namely blazars, non-beamed AGNs (Seyfert galaxies and QSOs), and cosmic rays from star-forming galaxies. The contribution to the background from beamed sources is obtained by fitting the Fermi-LAT blazar differential number counts assuming that the gamma-ray luminosity function is directly proportional to the radio luminosity function of FRI and FRII galaxies. The high energy emission from non-beamed AGNs is instead determined by popular synthesis models of the observed X-ray background. Finally, the EGB is fit by adding a third component arising from pion decay in cosmic rays, assuming that such component is closely linked to the cosmic star formation history. We find that blazars dominate at energies \geq 10 GeV, for E \leq 0.2 GeV the main contribution is from non-beamed AGNs, while cosmic rays are required in between. Because of absorption due to interaction of gamma-rays with the extra-galactic background light, our model falls short at the highest energies probed by LAT, (\geq 70 GeV), leaving room to a possible contribution from dark matter particle annihilation. As an example, a particle of mass ~ 0.5 TeV and cross section ~ 5*10^{-26} cm^3 s^-1 can accomodate the data.

研究の動機と目的

• Fermi-LATが測定した0.1–100 GeV範囲の観測された銀河間ガンマ線背景（EGB）を説明すること。
• ブレーザー、非ビーム化AGN、星形成銀河がEGBに寄与する相対的寄与度を特定すること。
• 解明されていない高エネルギー帯でのEGB過剰が、未解決のダークマター散乱によって説明可能かどうかを評価すること。
• ダークマターが唯一の拡散源であると仮定したモデルが、観測されたEGBおよび数密度カウントを再現できるかを検証すること。

提案手法

• ブレーザー寄与は、FRI/FRII銀河の電波出力関数に比例する出力関数でモデル化され、スペクトルエネルギー分布はFossatiら（1998）の結果を用いる。
• 非ビーム化AGN寄与は、X線背景合成モデルに基づき、特にInoue, Totani, & Ueda（2008）の結果を用いる。
• 星形成銀河成分は、宇宙線によるπ中間子崩壊をモデル化し、宇宙の星形成歴に合わせて正規化し、分子水素効率を表す1つの自由パラメータを含む。
• 銀河間背景光（EBL）との相互作用によるガンマ線吸収は、Finke, Razzaque, & Dermer（2010）のEBLモデルを用いてモデル化する。
• モデルはFermi-LATの微分的数密度カウントおよびEGB放射度データにフィットされ、2つの自由パラメータ（電波銀河のビーム化率、星形成効率）を含む。
• 残余EGB過剰を説明するため、ダークマター散乱成分を追加してテストし、カイ二乗統計に基づく制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1から100 GeVのFermi-LAT EGBスペクトル全体が、ブレーザー、非ビーム化AGN、星形成銀河の組み合わせによって説明可能か？
• RQ2 異なるエネルギー帯域における各成分のEGBに与える相対的寄与度は何か？
• RQ3 70 GeV以上のエネルギー帯で統計的に有意なEGB過剰が観測されており、それがダークマター粒子散乱に起因する可能性があるか？
• RQ4 星形成銀河を含まない状況で、ダークマター散乱のみに基づくモデルが観測されたEGBおよび数密度カウントを再現可能か？
• RQ5 EBLモデルの不確実性が、推定されるEGB成分および潜在的なダークマター信号に与える影響は何か？

主な発見

• 10 GeV以上のエネルギー帯で、ブレーザーがEGBを支配しており、スペクトルの高エネルギー尾部に顕著な寄与を示す。
• 0.2 GeV未満のエネルギー帯では、非ビーム化AGN（セイファート銀河およびQSO）がEGBの主な寄与源である。
• 0.2–10 GeVの中間エネルギー帯では、星形成銀河が支配的寄与を示し、その放射度の正規化は既存の分子水素効率に関する観測制約と整合的である。
• モデルは最高エネルギー帯（70–100 GeV）のEGBデータポイントを十分に再現できず、ダークマター散乱による残余寄与の可能性が示唆される。
• 質量が約0.5 TeV、散乱断面積⟨σv⟩が約5×10⁻²⁶ cm³s⁻¹のダークマター粒子が残余過剰を説明可能であるが、これはフィットに必須ではない。
• 星形成銀河を除外してダークマターのみでフィットした場合、カイ二乗統計が著しく悪化（47.5 vs. 33.3）し、星形成銀河がEGBに不可欠な成分であることが示された。