[论文解读] Implications of Cosmological Gamma-Ray Absorption - I.Evolution of the Metagalactic Radiation Field

T. Kneiske, K. Mannheim+1 more|ArXiv.org|Feb 5, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用 85

一句话总结

本文基于光学星系巡天和恒星形成历史，构建了一个半经验的宇宙辐射场（MRF）演化模型，用于预测从远红外到紫外波段的河外背景光（EBL）。结果表明，引入具有高尘埃消光的明亮红外星系（LIRGs）可解决长期存在的远红外EBL预测不足问题，显著提升与观测数据的一致性，并使高红移（z ~ 5）伽马射线光学厚度估算更加可靠。

ABSTRACT

Gamma-ray absorption due to gamma-gamma-pair creation on cosmological scales depends on the line-of-sight integral of the evolving density of low-energy photons in the Universe, i.e. on the history of the diffuse, isotropic radiation field. Here we present and discuss a semi-empirical model for this metagalactic radiation field based on stellar light produced and reprocessed in evolving galaxies. With a minimum of parameters and assumptions, the present-day background intensity is obtained from the far-IR to the ultraviolet band. Predicted model intensities are independent of cosmological parameters, since we require that the comoving emissivity, as a function of redshift, agrees with observed values obtained from deep galaxy surveys. The far-infrared background at present day prediced from optical galaxy surveys falls short in explaining the observed one, and we show that this deficit can be removed by taking into account (ultra)luminous infrared galaxies (ULIGs/LIGs) with a seperate star formation rate. The accuracy and reliability of the model, out to redshifts of 5, allow a realistic estimate of the attenuation length of GeV-to-TeV gamma-rays and its uncertainty, which is the focus of a subsequent paper.

研究动机与目标

• 基于深度星系巡天的观测约束，构建一个物理解释性强的半经验宇宙辐射场（MRF）演化模型。
• 解决预测与观测的远红外河外背景光（EBL）强度之间的差异。
• 确定尘埃遮蔽的星系（如LIRGs）对EBL的贡献及其恒星形成历史。
• 提供一个参数最小化的可靠模型，用于高红移伽马射线衰减计算，其有效性将通过未来伽马射线望远镜数据验证。
• 评估金属丰度和尘埃消光对MRF谱形的影响，特别是在红外和紫外波段。

提出的方法

• 以深度光学巡天获得的星系光度函数和恒星形成率（SFR）函数作为主要输入，用于建模星系光的共动发光度。
• 采用群体合成模型（GISSEL99），初始质量函数为Salpeter型，金属丰度为太阳值（Z⊙），计算星系的光谱能量分布（SED）。
• 通过拟合观测的EBL发光度，独立于假设的恒星金属丰度，引入尘埃再处理星星光的消光参数。
• 引入一个独立的明亮红外星系（LIRGs）群体，具有E(B-V) = 1.0，其恒星形成历史（SFR_LIG）基于ISO、IRAS和SCUBA数据，以解释远红外EBL的缺失。
• 通过要求预测的EBL谱与观测上限（如COBE FIRAS/DIRBE）和深空HST/ISO巡天的下限相一致，对模型进行标定。
• 通过采用低金属丰度（Z = 0.0001）模型进行敏感度测试，评估金属丰度对MRF的影响，尤其在紫外和红外波段。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何基于光学选源的常规模型无法再现观测到的远红外河外背景光（EBL）强度？
• RQ2 为使模型与EBL观测一致，尘埃遮蔽、红外明亮星系（如LIRGs）所需的恒星形成历史和光度函数为何？
• RQ3 金属丰度和尘埃消光如何影响MRF的预测谱形与强度，特别是在远红外和紫外波段？
• RQ4 该MRF模型在多大程度上可用于预测高红移（z ~ 5）GeV至TeV能量伽马射线的衰减长度？
• RQ5 基于观测星系巡天和最少假设的半经验模型，能否可靠地再现完整的EBL谱形，而无需依赖第一性原理的星系形成模拟？

主要发现

• 仅基于光学选源的模型预测的远红外EBL强度低于COBE FIRAS和DIRBE的观测上限。
• 引入具有E(B-V) = 1.0、恒星形成历史在z ≈ 1处达到峰值的明亮红外星系（LIRGs）群体，可解决远红外EBL缺失问题，使模型与观测结果一致。
• LIRGs所需的SFR与ISO、IRAS和SCUBA数据的独立估算一致，其峰值共动SFR密度为0.10 M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³。
• 在高红移（z ~ 5）时，LIRGs对总恒星形成率的贡献与光学选源相当，表明其在宇宙恒星形成历史中具有重要意义。
• 该模型的准确性和可靠性可延伸至z ~ 5，支持对伽马射线衰减长度的合理估算，这对下一代伽马射线望远镜（如GLAST、HESS）的观测验证至关重要。
• 敏感度测试表明，金属丰度显著影响MRF：低金属丰度（Z = 0.0001）会增强紫外发射，并将能量再分配更多地推向红外波段，凸显了金属丰度在EBL建模中的关键作用。