[论文解读] Stellar Photon and Blazar Archaeology with Gamma-rays

F. W. Stecker|ArXiv.org|Sep 6, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出利用耀变体光谱中的高能伽马射线吸收特征来重建早期宇宙中星际背景光（IBL）和恒星形成的历史，该方法称为‘耀变体考古学’。通过分析来自GLAST的多GeV伽马射线数据中的锐利光谱截止，研究人员可推断过去的IBL光子密度，约束总恒星形成率——包括在深空巡天中未被探测到的暗淡星系的贡献——并利用这些截止作为红移指示器，从而为高红移宇宙演化和耀变体演化提供新的探测手段。

ABSTRACT

Ongoing deep surveys of galaxy luminosity functions, spectral energy distributions and backwards evolution models of star formation rates can be used to calculate the past history of intergalactic photon densities and, from them, the present and past optical depth of the universe. This procedure can be reversed by looking for sharp cutoffs in the spectra of extragalactic gamma-ray sources at high redshifts in the multi-GeV energy range with GLAST. Determining the cutoff energies of sources with known redshifts and little intrinsic absorption can enable a more precise determination of the past intergalactic photon density and thus allow a better determination of the past history of the total star formation rate, including that from galaxies too faint to be observed. Conversely, observations of sharp high energy cutoffs in the gamma-ray spectra of blazars at unknown redshifts can be used instead of spectral lines to give a measure of their redshifts. Also, given a knowledge photon densities, one can derive the intrinsic gamma-ray spectra and luminosities of blazars over a range of redshifts and look for possible trends in blazar evolution. I present some evidence hinting that TeV blazars with flatter spectra have higher intrinsic TeV gamma-ray luminosities and that there may be a correlation of flatness and luminosity with redshift. (abridged)

研究动机与目标

• 利用耀变体光谱中的伽马射线吸收特征，重建早期宇宙中星际背景光（IBL）和恒星形成的历史。
• 利用GLAST对高红移耀变体的观测，测量‘考古学-IBL’——即过去的IBL光子密度——从而探测在深度巡天中无法被探测到的星系的恒星形成率。
• 开发一种利用光谱截止而非传统光谱线来估算高能伽马射线源红移的方法。
• 利用伽马射线数据研究耀变体光谱硬度、光度与红移之间的潜在关联。

提出的方法

• 从深空巡天（斯皮兹曼、哈勃、GALEX）数据出发，反向演化建模星系光度函数和光谱能量分布（SED），以估算过去的星际光子密度。
• 利用推导出的IBL光子能谱，计算伽马射线对产生过程的光学深度，作为红移和能量的函数。
• 利用高红移耀变体中观测到的伽马射线光谱截止，推断早期宇宙中IBL光子密度（考古学-IBL）。
• 应用能量依赖的伽马射线光学深度公式 τ(Eγ) ≈ ∫ dz ∫ dEphoton n(photon, z) σ_pair(Eγ, Ephoton) 来模拟吸收特征。
• 通过将观测光谱与推断出的IBL光学深度进行去卷积，重建耀变体的本征伽马射线光谱。
• 利用GLAST在5–20 GeV能量范围的灵敏度，探测已知红移耀变体中的截止特征，并研究弥漫的河外伽马射线背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移耀变体中伽马射线光谱的截止是否可用于重建早期宇宙的星际背景光（IBL）？
• RQ2 在已知红移的耀变体光谱中观测到的截止能量，在多大程度上能约束总恒星形成率，包括来自未被探测到的暗淡星系的贡献？
• RQ3 对于红移未知的源，其高能光谱截止的锐利程度能否作为红移指示器，替代光学光谱学方法？
• RQ4 本征耀变体光度与TeV能量下的光谱指数之间是否存在相关性？其随红移如何演化？
• RQ5 GLAST在5–20 GeV范围内对数千个耀变体的观测，如何改善对IBL演化和高红移星系尘埃消光的约束？

主要发现

• 本文预测，GLAST将能够在多GeV能量范围内探测到红移 z ≥ 2 的耀变体，并测量其关键截止能量，从而实现对考古学-IBL的直接探测。
• 高红移耀变体光谱中出现的锐利光谱截止主要源于在电离极限（13.6 eV）处的吸收，导致在 τ = 1 附近光学深度具有更陡峭的能量依赖性。
• 该方法可确定过去宇宙中IBL光子密度，尤其适用于那些在深度红外和紫外巡天中无法被观测到的暗淡星系。
• 对红移未知源的截止特征的观测，可作为红移估计工具，为光学光谱学提供一种替代方案。
• TeV波段耀变体的观测证据表明，可能存在本征光谱更平坦与更高本征光度之间的相关性，暗示喷流性质可能随红移演化。
• GLAST在5–20 GeV范围的观测，可能通过测量紫外光子平均密度及其对伽马射线谱的吸收效应，帮助约束高红移星系中的尘埃消光。