[论文解读] On TeV Gamma Rays and the Search for Galactic Neutrinos

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文利用IceCube和Fermi-LAT的数据，研究了TeV伽马射线与银河系中微子之间的关联，发现银河系平面上方的观测伽马射线通量过低，无法支持冰立方中微子通量存在显著的银河系贡献。分析表明，任何银河系中微子成分可能均为次主导，但在Sgr A*附近可能存在例外，这是由于伽马射线光学厚度效应所致。

ABSTRACT

The IceCube neutrino discovery presents an opportunity to answer long-standing questions in high-energy astrophysics. For their own sake and relations to other processes, it is important to understand neutrinos arising from the Milky Way, which should have an accompanying flux of gamma rays. Examining Fermi TeV data, and applying other constraints up to >1 PeV, it appears implausible that the Galactic fraction of the IceCube flux is large, though could be present at some level. We address Sgr A*, where the TeV-PeV neutrinos may outrun gamma rays due to gamma-gamma opacity, and further implications, including dark matter and cosmic-ray electrons.

研究动机与目标

• 确定冰立方高能中微子通量中起源于银河系内的比例。
• 评估费米-LAT观测到的TeV伽马射线通量是否与冰立方中微子的银河系起源一致。
• 评估银河系内区（特别是Sgr A*附近）伽马射线光学厚度效应对于中微子-伽马射线关联的影响。
• 评估费米-LAT数据对暗物质衰变和宇宙射线电子对高能辐射贡献的约束。
• 探讨尽管存在强烈的伽马射线衰减，是否仍有可能探测到来自银河系中心的PeV中微子。

提出的方法

• 利用IceCube的52个包含中微子事例（10–100 TeV）构建中微子到达方向的天图，采用高斯平滑和探测器响应加权。
• 应用费米-LAT Pass 8数据研究TeV伽马射线天图，重点关注银河系平面外区域及银心附近。
• 将IceCube在约10 TeV的能量下的有效面积（约2 m²）与费米-LAT在1 TeV以下的几何接受度（约2.5 m² sr）进行比较，以评估统计可比性。
• 应用费米-LAT和大气契伦科夫望远镜（HESS、VERITAS）对伽马射线通量的上限，以约束银河系中微子的产生。
• 评估Sgr A*附近伽马-伽马光学厚度对伽马射线的影响，这可能导致中微子逃逸而伽马射线被吸收。
• 分析暗物质衰变模型及其预测的伽马射线与中微子通量，并与费米-LAT观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方中微子通量的银河系贡献是否与费米-LAT观测到的TeV伽马射线通量一致？
• RQ2 如果伽马射线因$\gamma\gamma$过程而严重衰减，Sgr A*是否仍能解释银河系中心的高能中微子信号？
• RQ3 费米-LAT和ACTs在银河系平面外区域测得的低伽马射线通量对银河系中微子成分存在的约束如何？
• RQ4 在没有相应伽马射线信号的情况下，暗物质衰变或宇宙射线电子源在多大程度上能解释观测到的高能辐射？
• RQ5 IceCube与费米-LAT在约10 TeV能量下的有效面积如何比较？这对中微子与伽马射线探测的统计一致性意味着什么？

主要发现

• 费米-LAT在银河系平面外的伽马射线通量过低，无法支持冰立方中微子通量存在显著的银河系贡献。
• HESS和VERITAS测量的1–10 TeV能量范围内的观测伽马射线通量，与冰立方全天空信号水平相当的天空平均中微子通量不一致。
• IceCube在约10 TeV能量下的有效面积（约2 m²）与费米-LAT的几何接受度相近，表明若存在显著的银河系中微子通量，应能产生可探测的伽马射线对应信号。
• Sgr A*仍可能是例外，因其强$\gamma\gamma$光学厚度可能允许PeV中微子逃逸，同时抑制伽马射线发射。
• 在费米-LAT探测灵敏度范围内，银河系中心附近平面外区域未观测到与暗物质衰变一致的对称、衰减的显著信号。
• 费米-LAT对伽马射线发射的上限与计数较少的情况一致，不支持冰立方通量的主导银河系起源。