[論文レビュー] Deexcitation nuclear gamma-ray line emission from low-energy cosmic rays in the inner Galaxy

H. Benhabiles-Mezhoud, J. Kiener+2 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Dec 7, 2012

Atomic and Molecular Physics被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、内銀河における低エネルギー宇宙線（LECR）からの核ガンマ線線および連続スペクトル放射を、更新された反応断面積とFermi-LATの正規化を用いてモデル化し、放射束を予測している。4.4-MeV線はINTEGRALの感度に近いが、今後の角分解能が向上した望遠鏡では、強力な狭帯域線および1–8 MeVの連続スペクトル放射が検出可能となる可能性がある。特にLECRが空間的に不均一に分布している場合に顕著である。

ABSTRACT

Recent observations of high ionization rates of molecular hydrogen in diffuse interstellar clouds point to a distinct low-energy cosmic-ray component. Supposing that this component is made of nuclei, two models for the origin of such particles are explored and low-energy cosmic-ray spectra are calculated which, added to the standard cosmic ray spectra, produce the observed ionization rates. The clearest evidence of the presence of such low-energy nuclei between a few MeV per nucleon and several hundred MeV per nucleon in the interstellar medium would be a detection of nuclear γ-ray line emission in the range E_ 0.1 - 10 MeV, which is strongly produced in their collisions with the interstellar gas and dust. Using a recent γ-ray cross section compilation for nuclear collisions, γ-ray line emission spectra are calculated alongside with the high-energy γ-ray emission due to π 0 decay, the latter providing normalization of the absolute fluxes by comparison with Fermi-LAT observations of the diffuse emission above E γ= 0.1 GeV. Our predicted fluxes of strong nuclear γ-ray lines from the inner Galaxy are well below the detection sensitivies of INTEGRAL, but a detection, especially of the 4.4-MeV line, seems possible with new-generation γ-ray telescopes based on available technology. We predict also strong γ-ray continuum emission in the 1-8 MeV range, which in a large part of our model space for low-energy cosmic rays exceeds considerably estimated instrument sensitivities of future telescopes.

研究の動機と目的

• 散乱星間雲における高いイオン化率から推定される数百MeV/核子未塔の低エネルギー宇宙線核（LECR）の存在と性質を調査すること。
• 内銀河における星間ガスおよびダストとのLECRの衝突から生じる核ガンマ線線および連続スペクトル放射を計算すること。
• 特に4.4-MeV 12C線と1–8 MeV連続スペクトルに注目し、現在および将来のガンマ線望遠鏡を用いた検出可能性を評価すること。
• LECR分布の空間的不均一性が、他の拡散放射と区別可能かどうか、検出可能性に与える影響を調査すること。
• 将来の観測およびガンマ線天文の機器設計を支援するための放射束予測を提供すること。

提案手法

• 散乱雲における観測されたH3+イオン化率に一致させるために、Indrioloら（2009）の宇宙線スペクトルに低エネルギー成分を追加する。
• 核反応断面積（Murphy ら 2009; Benhabiles ら 2011）を更新し、核の非弾性脱励起に起因するガンマ線線放射を計算する。
• 0.1 GeV以上のエネルギー領域におけるπ⁰崩壊に起因する高エネルギー拡散放射を用いて、全ガンマ線放射束を正規化し、Fermi-LAT観測結果に合わせて補正する。
• 4.4-MeV 12C線、6.1-MeV 16O線、1.63-MeV 24Mg線といった主要な線および0.1–10 MeVおよび1–8 MeVエネルギー領域におけるバンド幅の連続スペクトルを計算する。
• INTEGRAL、COMPTEL、およびCAPSiTTのような将来のミッションの感度と比較し、角分解能と源の混同を考慮して検出可能性を評価する。
• 観測されたイオン化率の散らばりに基づき、LECRの空間的不均一性を想定し、局所的放射束の増強が検出可能性に与える影響をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内銀河における低エネルギー宇宙線核の衝突から予想される核ガンマ線線の放射束、特に12Cからの4.4-MeV線はどの程度か？
• RQ2 LECRからの予測された1–8 MeVガンマ線連続スペクトル放射は、将来の宇宙望遠鏡の感度と比べてどの程度か？
• RQ3 角分解能が向上した将来の機器では、逆コンプトン散乱などの他の拡散成分と区別できるか？
• RQ4 低エネルギー宇宙線の空間的不均一性が、核ガンマ線線の検出可能性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 LECRスペクトルおよび組成の変動が、予測されたガンマ線線放射束およびその検出可能性に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 内銀河における4.4-MeVガンマ線線の予測放射束は、LECRスペクトルおよび組成に応じて (0.1 – 2.0) × 10⁻⁵ cm⁻² s⁻¹ の範囲にわたる。
• 16Oからの6.1-MeV線の予測放射束は (0.1 – 1.0) × 10⁻⁵ cm⁻² s⁻¹、24Mgからの1.63-MeV線は (0.3 – 3.7) × 10⁻⁶ cm⁻² s⁻¹ である。
• 1–3 MeVバンドの放射は (0.2 – 1.3) × 10⁻⁴ cm⁻² s⁻¹、3–8 MeVバンドは (0.3 – 2.1) × 10⁻⁴ cm⁻² s⁻¹ と予測され、将来の機器の感度を最大20倍上回る。
• 4.4-MeV線の検出は、CAPSiTTのような次世代望遠鏡によって可能である。特にLECRが空間的に不均一に分布している場合、放射束が最大10倍に増幅される可能性がある。
• 3–8 MeV連続スペクトル放射は非常に強く、点源として数パーセントの濃度が集中している場合でも、CAPSiTTのような機器（4.4-MeV線で約2 × 10⁻⁷ cm⁻² s⁻¹、3–8 MeVバンドで約3 × 10⁻⁷ cm⁻² s⁻¹の感度）で検出可能である。
• イオン化率の空間的変動は、LECRの不均一性を示唆しており、これにより検出可能な放射束の変調が生じ、他の拡散放射成分との角分解能による分離が容易になる可能性がある。