[論文レビュー] Cosmic Gamma-ray Background Radiation

Yoshiyuki Inoue|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、フェルミ宇宙望遠鏡による宇宙のギガエレクトロン・ガンマ線背景（CGB）の測定をレビューし、それが主にブレーザー、電波銀河、星形成銀河から成り立っており、パワー・レイヤースペクトル（光子指数2.32）が279 GeVでカットオフされていることを明らかにした。未解像化CGBは約1 GeVにおける全フラックスの約30％を占め、今後の研究ではダークマター、メガエレクトロンCGB、およびアイスカウルトニュートリノ事象との関連を解明することを目的としている。

ABSTRACT

The cosmic gamma-ray background radiation is one of the most fundamental observables in the gamma-ray band. Although the origin of the cosmic gamma-ray background radiation has been a mystery for a long time, the Fermi gamma-ray space telescope has recently measured it at 0.1-820 GeV and revealed that the cosmic GeV gamma-ray background is composed of blazars, radio galaxies, and star-forming galaxies. However, Fermi still leaves the following questions. Those are dark matter contribution, origins of the cosmic MeV gamma-ray background, and the connection to the IceCube TeV-PeV neutrino events. In this proceeding, I will review the current understandings of the cosmic gamma-ray background and discuss future prospects of cosmic gamma-ray background radiation studies. I also briefly review the current status of cosmic infrared/optical background radiation studies.

研究の動機と目的

• 宇宙のギガエレクトロン・ガンマ線背景（CGB）の起源を解明すること。これは高エネルギー天体物理学における長年の謎である。
• フェルミデータを用いて、ブレーザー、電波銀河、星形成銀河がCGBに与える寄与を評価すること。
• 未解決の問題を調査すること：ダークマターのシグナル、メガエレクトロンCGB、およびアイスカウルトTeV–ペブニュートリノ事象との関連。
• 宇宙赤外/可視背景（COB/CIB）がガンマ線減衰に果たす役割と、その源スペクトルへの影響を調査すること。
• 宇宙テルバーギガエレクトロン・ガンマ線背景を調査するための今後の観測的・分析的手がかりを同定すること。

提案手法

• フェルミ-LATデータの解析により、0.1から820 GeVのバンド幅にわたるCGBスペクトルを測定し、約1 GeVにおける全フラックスの約30％を解像化した。
• 大規模なブレーザー集団のスペクトルを用いて、宇宙赤外/可視背景（CIB）による赤方偏移依存の減衰を検出する。
• CIB光子における$\gamma\gamma$対生成を含むガンマ線減衰モデルの適用。$\tau_{\gamma\gamma} \propto E_{\gamma}^{-2}$ および $\lambda_{\rm peak} \simeq 2.5(E_{\gamma}[{\rm TeV}])\ \mu{\rm m}$。
• ガンマ線天の川と宇宙シアー地図の相互相関を用いて、ダークマターの消失シグナルを探索する。
• アイスカウルトニュートリノデータとフェルミCGB測定値の比較により、TeV–ペブニュートリノの銀河間$pp$反応シナリオを検証する。
• フェルミおよびH.E.S.S.観測からの$\gamma\gamma$透過率の上限を用いて、$z \leq 4.35$におけるCOB/CIBを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙のギガエレクトロン・ガンマ線背景の支配的天体的起源は何か。また、ブレーザー、電波銀河、星形成銀河はそれぞれどのように寄与しているか。
• RQ2 CGBスペクトルの279 GeVにおける観測された指数的カットオフは、宇宙赤外/可視背景によるガンマ線減衰をどの程度反映しているか。
• RQ3 CGBの非均一性は、ダークマターの消失または崩壊シグナルを制約できるか。
• RQ4 宇宙メガエレクトロン・ガンマ線背景の起源は何か。非均一性を用いてどのように探査できるか。
• RQ5 宇宙テルバーギガエレクトロン・ガンマ線背景とアイスカウルトTeV–ペブニュートリノ事象との間に、特に銀河間$pp$反応を通じての関連があるか。

主な発見

• フェルミが0.1から820 GeVの範囲で測定した宇宙のギガエレクトロン・ガンマ線背景スペクトルは、光子指数2.32のパワー・レイヤーと一致しており、279 GeVで指数的カットオフが見られる。
• 未解像化CGB強度は0.1 GeV以上で$7.2 \times 10^{-6}\ \rm{cm^{-2}s^{-1}sr^{-1}}$であり、約1 GeVでは全フラックスの約30％が解像化されており、エネルギーが高くなるほど解像化率が高くなる。
• ブレーザー、電波銀河、星形成銀河がCGBの主な寄与源であり、100 GeV以上ではブレーザーが支配的である。
• フェルミは、ブレーザー集団のスペクトルを用いて、赤方偏移$z = 1.5$までCIBによるガンマ線減衰を赤方偏移依存で検出。CIBが$\gamma\gamma$吸収に果たす役割を確認した。
• H.E.S.S.は、滑らかな固有スペクトルを仮定した明るいブレーザーのスペクトルに、局所的COB/CIBのインプリントを成功して測定した。
• CIBERコラボレーションは、1.1および1.6 $\mu$mにおけるCIBの揺らぎに過剰成分を報告し、既知の銀河とは異なる新しい天体集団の可能性を示唆した。