[论文解读] Assessing The Starburst Contribution to the Gamma-Ray and Neutrino Backgrounds

Todd A. Thompson, Eliot Quataert+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 11

一句话总结

本文认为，红移 z ≈ 1 的星暴星系很可能是宇宙射线质子的全吸收器（proton calorimeters），其中宇宙射线质子与致密的星际气体相互作用，产生π介子，后者衰变为高能γ射线和中微子。通过利用星形成历史和FIR-射电相关性的观测约束，作者表明星暴星系可能对河外γ射线和中微子背景有显著贡献——这一预测已被GLAST对单个附近星暴星系的探测所证实。

ABSTRACT

If cosmic ray protons interact with gas at roughly the mean density of the interstellar medium in starburst galaxies, then pion decay in starbursts is likely to contribute significantly to the diffuse extra-galactic background in both gamma-rays and high energy neutrinos. We describe the assumptions that lead to this conclusion and clarify the difference between our estimates and those of Stecker (2006). Detection of a single starburst by GLAST would confirm the significant contribution of starburst galaxies to the extra-galactic neutrino and gamma-ray backgrounds.

研究动机与目标

• 评估星暴星系对弥漫河外γ射线和高能中微子背景的贡献。
• 解决本研究与Stecker（2006）之间的矛盾，后者报告了星暴星系贡献的更低上限。
• 确定在气体密度高的条件下，红移 z ≈ 1 的星暴星系是否能因高效的π介子产生而成为质子全吸收器。
• 评估星系超新星风和宇宙射线逃逸 timescales 对星暴星系全吸收器效率的影响。
• 为GLAST提供可检验的预测，包括对NGC 253和M 82等附近星暴星系的可探测γ射线流量。

提出的方法

• 使用质子-质子碰撞截面和π介子衰变运动学，建模星暴星系中宇宙射线质子与星际气体的相互作用。
• 应用质子全吸收器条件 τpp ≤ τesc，其中 τesc ≈ h/V ≈ 3×10⁵ yr，对应于速度 V ≈ 300 km/s、标高 h ≈ 100 pc 的星系超新星风。
• 利用关系式 Lγ ≈ (2/3)Lν ≈ 1.5×10⁻⁴ η₀.₀₅ L_TIR，将γ射线和中微子的光度与总红外光度（L_TIR）关联起来。
• 通过FIR-射电相关性校准宇宙射线注入效率 η，要求 η ≥ 0.05 才能构成质子全吸收器。
• 通过对共动星形成率密度 ̇ρ⋆(z) 和处于质子全吸收器状态的星形成比例 f(z) 进行积分，计算总背景流量。
• 将模型预测与EGRET（未探测到）和GLAST灵敏度的观测约束进行比较，以解决与Stecker（2006）的矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 星暴星系在 z ≈ 1 时，通过宇宙射线-质子相互作用产生的π介子衰变，对河外γ射线和中微子背景的贡献有多大？
• RQ2 星暴星系要成为质子全吸收器，需满足哪些条件？星系风动力学如何影响这一过程？
• RQ3 为何Stecker（2006）报告的中微子和γ射线背景估计值比本研究及LW（2006）低约五倍？
• RQ4 星形成随红移的演化以及处于质子全吸收器状态的星暴星系比例 f(z) 如何影响总背景流量？
• RQ5 如果NGC 253和M 82等附近星暴星系是质子全吸收器，GLAST能否探测到它们？此类探测将意味着什么？

主要发现

• 在气体密度 n ≳ 100 cm⁻³ 的 z ≈ 1 星暴星系中，由于 τpp ≤ τesc，极有可能成为质子全吸收器，意味着几乎所有宇宙射线质子在逃逸前都会产生π介子。
• 质子全吸收器的γ射线和中微子光度与 Lγ ≈ Lν ≈ 1.5×10⁻⁴ η₀.₀₅ L_TIR 成正比，其中 η₀.₀₅ = η/0.05。
• 模型预测在多种星形成历史模型下，z ≈ 1 时的 f_cal ≈ 0.8，表明其对背景有主导性贡献。
• 与Stecker（2006）的矛盾主要源于其假设在 0.2 ≤ z ≤ 1.2 范围内仅有13%的星形成发生在质子全吸收器中，作者认为这一估计低估了真实贡献。
• 若GLAST探测到单个星暴星系，将证实星暴星系在河外γ射线和中微子背景中起着关键作用。
• EGRET未探测到星暴星系的结果与模型一致，且不构成对背景贡献的约束，因为模型能基于FIR和射电数据正确预测未探测结果。