[论文解读] Breaks in gamma-ray spectra of distant blazars and transparency of the Universe

Г. И. Рубцов, S. Troitsky|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文研究了遥远耀变体伽马射线谱中看似向上的能谱转折，认为这些现象并非源于源体本身的物理机制，而是由于错误的吸收建模导致对星际介质光学厚度的高估。利用最保守的河外背景光（EBL）模型，作者表明这些转折点随红移系统性地移动，表明其为高估光学厚度所致——这意味着宇宙对TeV光子的透明度可能高于当前假设，可能与轴子样粒子等新物理有关。

ABSTRACT

The expected opacity of the intergalactic space limits the mean free path of TeV gamma rays to dozens of Megaparsecs. However, TeV photons from numerous more distant sources have been detected. This might be interpreted, in each particular case, in terms of hardening of the emitted spectrum caused by presently unknown mechanisms at work in the sources. Here we show that this interpretation is not supported by the analysis of the ensemble of all observed sources. In the frameworks of an infrared-background model with the lowest opacity, we reconstruct the emitted spectra of distant blazars and find that upward spectral breaks appear precisely at those energies where absorption effects are essential. Since these energies are very different for similar sources located at various distances, we conclude that the breaks are artefacts of the incorrect account of absorption and, therefore, the opacity of the Universe for gamma rays is overestimated even in the most conservative model. This implies that some novel physical or astrophysical phenomena should affect long-distance propagation of gamma rays. A scenario in which a part of energetic photons is converted to an inert new particle in the vicinity of the source and reconverts back close to the observer does not contradict to our results. [abridged]

研究动机与目标

• 研究遥远耀变体高能伽马射线谱中看似向上的能谱转折的起源。
• 检验这些转折是否为源体的物理特征，或错误吸收建模所致的人为效应。
• 评估去吸收谱中观测到的能谱硬化是否与已知的河外背景光（EBL）模型一致。
• 评估星际介质的光学厚度是否被高估，尤其是在最保守的EBL模型中。
• 探讨长距离伽马射线传播的含义，以及轴子样粒子等新物理的可能性。

提出的方法

• 从费米-LAT和大气契伦科夫望远镜中构建了99个遥远耀变体样本，仅选择红移z ≥ 0.7且在E > 10 GeV能量段被探测到的源。
• 采用吉尔摩等人（2012）提出的“基准”EBL模型，即与下限一致的最低光学厚度模型，对观测谱进行去吸收处理。
• 应用能量依赖的对产生光学厚度τ(E, z)来校正观测通量，同时调整每个能量通道的通量和平均能量。
• 在每个能量通道使用幂律近似建模观测谱，并应用exp(τ(E))校正，同时考虑因能量差异吸收导致的能量偏移。
• 对马尔莫奎斯特偏差、红移误差、仪器能量定标及源类型依赖性进行系统性检查，以排除系统性人工效应。
• 在更大的费米样本（E0 = 100 GeV）上进行额外测试，以验证红移依赖的转折模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的遥远耀变体谱中向上的能谱转折是源体的物理特征，还是错误吸收建模所致的人为效应？
• RQ2 谱转折的位置是否依赖于源体红移，表明其为传播效应而非本征辐射物理？
• RQ3 在最保守的EBL模型中，星际介质的光学厚度是否被高估，从而导致去吸收谱中出现人为硬化？
• RQ4 观测到的谱特征是否可由对吸收的统一高估来解释，而非源特异性机制？
• RQ5 这对长距离伽马射线传播及轴子样粒子等新粒子的存在有何启示？

主要发现

• 遥远耀变体去吸收谱中观测到的能谱转折并非源体的本征特征，而是由于高估星际介质光学厚度所致的人为效应。
• 谱转折能量随红移系统性地移动，距离越远的源转折能量越高，这与本征源特征的预期相矛盾。
• 即使在最保守的EBL模型（吉尔摩等人，2012）中，光学厚度仍被高估，意味着宇宙对TeV光子的透明度高于当前模型所假设。
• 观测到的红移依赖转折模式与源相关物理不一致，但与样本中吸收统一高估的假设一致。
• 结果表明，新型物理现象——如高能光子与轴子样粒子之间的相互转换——可能是导致观测到透明度的根源。
• 系统性检查排除了红移误差、马尔莫奎斯特偏差或仪器能量定标导致的重大偏差，进一步支持该效应源于错误的光学厚度建模。