[論文レビュー] Gamma-ray halo around the M31 galaxy as seen by the Fermi LAT

М. С. Пширков, V. V. Vasiliev+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、7年間のFermi LATデータを用いて、M31銀河の周囲に広がるガンマ線放出ハローを4.7σで検出。最良適合半径は0.9°（12 kpc）、全エネルギー範囲0.3–100 GeVにおける放射束度は(3.2±1.0)×10⁻⁹ cm⁻²s⁻¹、全輝度は(4.0±1.5)×10³⁸ erg s⁻¹。この信号は、磁化されたホットハローガスと相互作用する宇宙線からの逆コンプトン放射またはパイオン崩壊放射と解釈され、M31から10 kpcまで延びる磁場強度100 nG以上の磁場が存在することを示唆する。

ABSTRACT

Theories of galaxy formation predict the existence of extended gas halo around spiral galaxies. If there are 10-100 nG magnetic fields at several ten kpc distances from the galaxies, extended galactic cosmic ray (CR) haloes could also exist. Galactic CRs can interact with the tenuous hot halo gas to produce observable gamma-rays. We have performed search for a gamma-ray halo around the M31 galaxy -- the closest large spiral galaxy. Our analysis of almost 7 years of the Fermi LAT data revealed the presence of a spatially extended diffuse emission excess around M31. The data can be fitted using the simplest morphology of a uniformly bright circle. The best fit gave a 4.7$σ$ significance for a $0.9^{\circ}$ (12 kpc) halo with a photon flux of $\sim (3.2\pm1.0) imes 10^{-9} ~\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}$ and a luminosity of $(4.0\pm1.5) imes 10^{38} ~\mathrm{erg~s^{-1}}$ in the energy range 0.3--100 GeV. Our results also imply a low level of the flux from the disc of the M31 galaxy $(3.3 \pm 1.0) imes 10^{-10}~\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}$. The corresponding gamma-ray luminosity, $5 imes10^{37} ~\mathrm{erg~s^{-1}}$ is several times smaller than the luminosity of the Milky Way. This difference could be explained by a lower star formation rate in M31: there are less CRs and the level of the ISM turbulence is lower, which in turn leads to a shorter time of CR containment.

研究の動機と目的

• M31、すなわち最も近い大型渦巻銀河の宇宙線ハローからの広がりのあるガンマ線放射を探索すること。
• 理論的予測である、磁化された銀河ハロー内に宇宙線が閉じ込められ、ホットハローガスと相互作用することで検出可能なガンマ線放射が発生することを検証すること。
• M31のガンマ線輝度をのちの銀河系と比較し、宇宙線生成および閉じ込めの違いを推論すること。

提案手法

• PASS8_V2イベント再構築とv10r0p5ソフトウェアを用いた、81か月（ほぼ7年間）分のFermi LATデータの解析。
• 背景を低減し、角度分解能を向上させるために、エネルギーが300 MeVを超えるイベントおよび天の川の上空角が100°未満のものを選別。
• M31を中心とする10°半径の円形の観測領域（ROI）を用い、信号を分離し、均一に明るいディスクとして発光をモデル化。
• テスト統計量（TS）マップを用いた統計的有意性の評価と、ハロー源を含むシミュレートデータとの比較。
• M31のディスク（IRASデータを用いて）と仮想のハローのテンプレートとの比較により、広がりのある信号を分離。
• 単純なハローモデルによるデータフィッティングにより、放射束度、輝度、有意性を導出。また、ディスクや点源からの汚染の可能性を考慮。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M31の周囲に、磁化されたホットハローガスと相互作用する宇宙線ハローと整合する空間的に広がったガンマ線放射が存在するか？
• RQ2 Fermi LATが検出したような広がりのある放射の有意性と形状は何か？
• RQ3 M31のガンマ線輝度はのちの銀河系と比べてどう異なっているか？これは宇宙線生成および閉じ込めに関する何を示唆するか？
• RQ4 観測された過剰放射が、機器的要因、源の混同、統計的ゆらぎによるものではなく、実際のハロー由来である可能性は？
• RQ5 観測されたガンマ線信号に基づき、M31から10 kpcの距離まで宇宙線を閉じ込めるために必要な磁場強度はどの程度か？

主な発見

• M31の周囲に空間的に広がったガンマ線放射過剰が4.7σの有意性で検出され、0.9°（12 kpc）の半径の均一に明るい円形ハローとして最もよく説明された。
• ハローの光子束度は、0.3–100 GeVエネルギー範囲で(3.2±1.0)×10⁻⁹ cm⁻²s⁻¹と測定された。
• ハローのガンマ線輝度は(4.0±1.5)×10³⁸ erg s⁻¹であり、磁化されたホットハローガス内での宇宙線反応と整合的である。
• M31ディスクからのガンマ線束度は低く、(3.3±1.0)×10⁻¹⁰ cm⁻²s⁻¹であり、輝度は5×10³⁷ erg s⁻¹に相当する。これはのちの銀河系のディスク輝度の数倍低い。
• M31の低輝度は、星形成率が低く、星間物質の乱流が弱いため、宇宙線の閉じ込め時間が短いことによるものとされる。
• この検出結果は、M31から少なくとも10 kpcまで延びる磁場強度100 nG以上の磁場が存在することを示唆し、のちの銀河系に推定された宇宙線ハローと同様の構造の存在を支持する。