[論文レビュー] StellarICs: Stellar and solar Inverse Compton emission package

E. Orlando, A. W. Strong|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

StellarICs は、太陽系内および個々の星の周囲の星間および太陽光子場に対する宇宙線電子・陽電子の逆コンプトン（IC）ガンマ線放射を計算する、公開済みの C++ ソフトウェアパッケージである。ユーザーが定義したレプトンスペクトルおよびモジュレーションを用いてエネルギー依存の IC 発光をモデル化し、Fermi-LAT データ解析および宇宙線伝搬・背景ガンマ線放射の天体物理学的モデリングに使用可能な、高分解能の角度およびスペクトル出力を FITS 形式で提供する。

ABSTRACT

StellarICs is software to compute gamma-ray emission from inverse-Compton scattering by cosmic-ray leptons in the heliosphere and in the photospheres of stars. It includes a set of cosmic-ray spectra and a formulation of their modulation, but it can be used for any user-defined modulation model and lepton spectra. Inverse-Compton emission provides a unique probe of cosmic-ray leptons in the heliosphere between the earth and the sun. The software is publicly available and it is under continuing development.

研究の動機と目的

• 太陽系および個々の星の周囲における宇宙線電子・陽電子からの逆コンプトンガンマ線放射を計算するための柔軟でオープンソースのツールを提供すること。
• 太陽および星からの非等方的 IC 発光をモデル化し、星の光子場の方向依存性を考慮すること。
• 太陽および星の IC 発光を拡散ガンマ線背景の高精度な背景モデリングに組み込むことで、Fermi-LAT 分析における背景の正確なシミュレーションを可能にすること。
• 力場近似およびユーザー定義の形式を含む、さまざまな宇宙線レプトンスペクトルおよびモジュレーションモデルのテストを可能にすること。
• HEASARC ツールおよび高エネルギー天体物理学ソフトウェアパイプラインに直接統合可能な標準化された FITS 形式で出力すること。

提案手法

• ソフトウェアは、逆コンプトン断面積、放射効率スペクトル、星間放射場（黒体源としてモデル化）およびレプトンスペクトルのための C++ クラスを用いる。
• 相対論的 IC 散乱のためのクライン＝ニシナ式を実装し、等方的および非等方的散乱断面積の両方を含む。
• The $SolarIC$ クラスは、エネルギー、角度グリッド（対数または線形）、星のパラメータ（温度、半径、距離）をユーザーが定義したパrameters を用いて、視線方向に積分した IC 発光を計算する。
• ユーザー定義のレプトンスペクトルおよびモジュレーションモデルをサポートし、デフォルトで力場近似を採用し、OpenMP を用いた並列計算を可能にする。
• 出力は、微分および統合された強度プロファイル、スペクトル、エネルギーおよび角度積分された放射度を含む、複数の FITS 拡張子として生成される。
• ドライバースクリプト（$solar\_ic\_driver.cc$）および結果の直接プロットおよび解析に使用可能なオプションの IDL スクリプトをパッケージに含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線電子・陽電子が太陽および星の光子場に散乱することで生じる逆コンプトン放射は、天の川上空でどのように変化するか？
• RQ2 太陽からの IC 発光の角度的およびスペクトル的分布はどのようなものか？また、太陽円盤を越えてどの程度広がるか？
• RQ3 太陽放射場の非等方性は、特に太陽円盤付近で IC 発光プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 明るい星からの星間 IC 発光は、Fermi-LAT が観測した拡散ガンマ線背景にどの程度寄与しているか？
• RQ5 柔軟でユーザーが設定可能な IC 発光モデルは、銀河および銀河外ガンマ線研究における背景差し引きを改善できるか？

主な発見

• ソフトウェアは、太陽光子場の非等方性により太陽円盤付近で発光が抑制され、太陽から約 10–20 度の方向にピークを示す高分解能 IC 発光プロファイルを生成した。
• 10 MeV 以上のエネルギーでは、低レベルで全天にわたって IC 発光が広がり、太陽円盤を越えて顕著な強度が観測された。
• モデルは、100 MeV 付近でカットオフを示し、相対論的 IC 散乱による高エネルギー尾を有する太陽 IC 発光の特徴的なスペクトル形状を再現した。
• パッケージは、微分強度プロファイル、統合スペクトル、エネルギーおよび角度積分放射度を含む、合計 10 種類の異なる FITS 拡張子を正しく生成した。
• StellarICs は、Fermi-LAT 科学ツールに統合されており、太陽 IC 発光の標準モデルとして採用されており、高精度な天体物理学的解析における有効性が裏付けられた。
• ソフトウェアは、Cygnus OB2 のような個々の星からの IC 発光の正確なモデリングを可能にし、Cygnus 系域で観測されたガンマ線放射に寄与していることが示された。