[论文解读] Energetic Particles in Clusters of Galaxies and Starburst Galaxies

H. J. Voelk|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，星暴星系和星系团通过宇宙射线与磁场的非热过程可产生可探测的高能伽马射线辐射。文章认为，在星暴星系中，高能粒子输运主要由对流主导，且两类系统都应发射TeV伽马射线，其中NGC 253已被确认为TeV源，而像室女座星系团（Coma）这样的星系团可能因强子质子相互作用和逆康普顿散射，借助下一代仪器实现观测。

ABSTRACT

The nonthermal characteristics of starburst galaxies and galaxy clusters are reviewed and the perspectives for their observation in high energy gamma rays discussed. It is argued that starburst galaxies should have physically similar and even simpler nonthermal properties as our Galaxy, the particle transport being convective in their strong galactic winds. They should be measurable in TeV gamma rays by large detectors, and in fact the recent detection of NGC 253 is a first demonstration. Galaxy clusters are equally expected to produce a nonthermal energetic nuclear particle component that gives unambiguous information about the entropy production history in clusters. Both types of objects should be main sources of and at the same time also major visible representatives for the ubiquitous nonthermal component of matter in the Universe.

研究动机与目标

• 理解星暴星系和星系集中高能粒子的起源与输运机制。
• 评估这些系统在高能伽马射线波段中非热辐射的可探测性。
• 检验星系团中观测到的硬X射线超额是否源于热过程或非热过程。
• 评估强子过程与轻子过程在星系团伽马射线辐射产生中的作用。
• 确定这些源使用新一代伽马射线仪器探测的可行性。

提出的方法

• 利用从射电到X射线波段的多波段数据，推断粒子密度与磁场强度。
• 应用最小能量论证，估算星暴星系中宇宙射线与磁场的能量密度。
• 由于强烈的星系风，将粒子输运建模为星暴星系中的对流过程。
• 在假设存在遗迹质子种群的前提下，估算星系团中质子-质子相互作用产生的强子伽马射线辐射。
• 计算次级电子与遗迹电子产生的逆康普顿辐射与轫致辐射。
• 将预测的辐射通量与GLAST及成像大气契伦科夫望远镜（IACTs），如CANGAROO III、H.E.S.S.和VERITAS的灵敏度曲线进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星暴星系（如NGC 253和M82）预期的非热伽马射线通量是多少？
• RQ2 对流粒子输运如何影响星暴星系中宇宙射线的约束与伽马射线的产生？
• RQ3 在室女座星系团等星系团中，强子过程对伽马射线辐射的贡献有多大？
• RQ4 星系团中观测到的硬X射线超额是否可由激波风的热辐射解释，而非非热过程？
• RQ5 星系团与星暴星系是否可被当前及下一代仪器探测为TeV伽马射线源？

主要发现

• 星暴星系（如NGC 253和M82）的宇宙射线能量密度约为银河系的两倍。
• CANGAROO II对NGC 253在TeV波段的探测结果证实了星暴星系强伽马射线辐射的预测。
• 像室女座星系团（Coma）这样的星系团预计通过强子质子相互作用产生的π介子衰变发射TeV伽马射线，通量水平约为蟹状星云在1 TeV处的5%。
• 强子伽马射线谱在轫致辐射截止能量以上预测具有约2的硬幂律指数。
• 星系团中轫致辐射与$/\pi^0$-衰变伽马射线通量处于GLAST探测器在GeV波段灵敏度范围内。
• 尽管角直径较大，地面IACTs（如CANGAROO III、H.E.S.S.和VERITAS）可能勉强探测到像室女座星系团这样的扩展星系团在TeV波段的辐射。