[논문 리뷰] Galactic diffuse gamma-ray emission from GeV to PeV energies in light of up-to-date cosmic ray measurements

Rui Zhang, Xiaoyuan Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 최신의 태양계 내 우주선 스펙트럼과 함께, 1–500 GeV 범위의 공동 Fermi-LAT 데이터 및 10–1000 TeV 범위의 LHAASO 데이터를 사용하여 기수 에너지에서 테바르트 에너지에 이르는 은하계 확산 감마선 방출을 재평가한다. 연구에서는 몇 GeV에서 약 60 TeV 사이에 확산 방출에서 뚜렷한 초과가 있음을 발견하였으며, 이는 스펙트럼 지수 -2.40과 약 30 TeV에서의 절단이 있는 추가적인 지수 감쇠형 거듭제곱 법칙 성분으로 가장 잘 설명되며, 기존의 우주선 확산 모델에 도전한다.

ABSTRACT

The diffuse gamma-ray emission between 10 and 1000 TeV from the Galactic plane was recently measured by the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). These observations will help tremendously in constraining the propagation and interaction of cosmic rays in the Milky Way. Additionally, new measurements of CR spectra reach a very high precision up to 100 TeV energies, revealing multiple spectral structures of various species. In this work, we confront the model prediction of the diffuse gamma-ray emission, based on up-to-date measurements of the local cosmic ray spectra and simplified propagation setup, with the measurements of diffuse gamma-rays. To better constrain the low-energy part of the model, we analyze the 14.6 years of Fermi-LAT data to extract the Galactic diffuse emission between 1 and 500 GeV from the same sky regions of LHAASO, after subtracting the contribution from known sources and the isotropic diffuse gamma-ray background. The joint Fermi-LAT and LHAASO spectra thus cover a very wide energy range from 1 GeV to 1 PeV with small gaps from 0.5 to 10 TeV. Compared with the prediction, we find that clear excesses between several GeV and ~60 TeV of the diffuse emission exist. Possible reasons to explain the excesses may include unresolved sources or more complicated propagation models. We illustrate that an exponential-cutoff-power-law component with an index of -2.40 and cutoff energy of ~30 TeV is able to account for such excesses.

연구 동기 및 목표

• 넓은 에너지 범위에서 최신의 국지적 우주선 스펙트럼을 활용하여 은하계 우주선 확산 및 주입을 제약 조건에 둔다.
• 최신의 고정밀 측정값인 Fermi-LAT 및 LHAASO 데이터와 모델 예측의 확산 감마선 방출을 조율한다.
• 몇 GeV에서 약 60 TeV 사이의 설명되지 않은 확산 감마선 방출 초과의 기원을 조사한다.
• 소스 마스킹, 확산 모델 단순화, 단면적 및 가스 분포의 불확실성 등이 모델 예측에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 이sovotropic, one-zone, 균질적, 등방성 확산 모델에 재가속화 및 혼합 효과를 포함하여 우주선 확산을 시뮬레이션한다.
• 기본 및 이차 우주선 스펙트럼의 최신 측정값(전자 및 양전자 포함)에 맞추어 우주선 주입 및 확산 파rameter를 조정한다.
• Fermi-LAT 14.6년 데이터를 재처리하여, LHAASO와 동일한 하늘 영역에서의 은하계 확산 방출(1–500 GeV)을 추출한다. 이때 알려진 소스와 등방성 배경을 제거한다.
• 모델 예측의 확산 감마선 방출을 1 GeV에서 1 PeV까지의 공동 Fermi-LAT 및 LHAASO 데이터와 비교하며, 0.5–10 TeV 사이의 작은 간격을 포함한다.
• 초과 방출을 설명하기 위해 지수 감쇠형 거듭제곱 법칙(Exponential-Cutoff Power-Law, ECPL) 성분을 도입하고, 스펙트럼 지수 및 절단 에너지를 데이터에 맞춘다.
• 가스 분포, 강입자 단면적, 소스 마스킹에 대한 불확실성에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 표준 우주선 확산 모델은 몇 GeV에서 약 60 TeV 사이의 확산 감마선 방출을 크게 낮게 예측하는가?
• RQ2 추가적인 스펙트럼 성분이 기존 모델이 포괄하지 못한 GeV–TeV 범위의 관측 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ3 LHAASO 및 Fermi-LAT에서의 소스 마스킹 전략은 확산 방출 측정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 강입자 단면적 및 가스 분포의 불확실성은 고에너지 영역에서 모델의 예측 능력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 IceCube 중성자율에서의 다메시저 제약 조건은 감마선 초과의 해석에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 표준 우주선 확산 가정과는 다르게, 몇 GeV에서 약 60 TeV 사이의 확산 감마선 방출은 모델에 의해 크게 낮게 예측되며, 이는 표준 확산 가정과의 괴리함을 시사한다.
• 스펙트럼 지수 -2.40과 절단 에너지 약 30 TeV를 가진 지수 감쇠형 거듭제곱 법칙(ECPL) 성분이 관측된 초과에 잘 맞는다.
• LHAASO 데이터, 특히 은하수 외곽 평면에서의 데이터는 우주선의 공간 분포 및 그들의 확산에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• LHAASO에서의 소스 마스킹는 특히 은하수 평면 근처에서 실제 확산 방출의 상당 부분을 제거했을 수 있으며, 이는 모델 비교에 편향을 줄 수 있다.
• 현재의 one-zone, 등방성 확산 모델은 너무 단순하다고 여겨지며, 공간적으로 의존적이거나 비이sovotropic인 확산 모델이 데이터를 더 잘 설명할 수 있다.
• 강입자 단면적 및 가스 분포의 불확실성은 테바르트 에너지에서 정밀한 예측을 달성하는 데 있어 핵심적인 제한 요소로 남아 있다.