[論文レビュー] The Fermi-LAT model of interstellar emission for standard point source analysis

J. M. Casandjian|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、4年間のPass 7再処理されたLATデータにフィットした水素原子密度と逆コンプトン放射テンプレートの線形結合に基づき、点源解析を目的としたFermi-LAT標準銀河間拡散放射モデルを提示する。モデルは、繰り返し残差再注入を用いてFermiバブルやLoop Iのような大規模構造を組み込むことで高い忠実度を達成し、主な結果として宇宙線陽子スペクトルの半径方向軟化と、Fermiバブルの基部における懸垂線型の形状が示された。

ABSTRACT

We describe the development of the model for interstellar gamma-ray emission that is the standard adopted by the LAT team and is publicly available. The model is based on a linear combination of templates for interstellar gas column density and for the inverse Compton emission. The spectral energy distributions of the gamma-ray emission associated with each template are determined from a fit to 4 years of Fermi-LAT data in 14 independent energy bins from 50 MeV to 50 GeV. We fit those distributions with a realistic model for the emission processes to extrapolate to higher energies. We also include large-scale structures like Loop I and the Fermi bubbles following an iterative procedure that re-injects filtered LAT counts residual maps into the model. We confirm that the cosmic-ray proton density varies with the distance from the Galactic center and find a continuous softening of the proton spectrum with this distance. We observe that the Fermi bubbles have a shape similar to a catenary at their bases.

研究の動機と目的

• Fermi-LATを用いた標準的な点源解析に使用可能な、物理的に妥当で公開可能な銀河系拡散γ線放射モデルの開発。
• 宇宙線が銀河間ガスおよび光子と相互作用する高エネルギー銀河間γ線放射を正確にモデル化すること。
• 繰り返し残差再注入を用いて、FermiバブルやLoop Iのような大規模構造をモデルに組み込むこと。
• 50 MeVから50 GeVの14個のエネルギー区分にわたる、ガスおよび逆コンプトン成分のエネルギー依存性発光度およびスペクトル形状を特定すること。
• P7REP_CLEAN_V15機器応答関数と併用可能な、露光補正済みの校正済みモデルの作成。

提案手法

• モデルは、水素原子密度（HIおよびH2）およびGALPROPシミュレーションから導出された逆コンプトン（IC）放射強度マップの線形結合を用いる。
• エネルギー依存性のあるガス成分のγ線発光度は、50 MeVから50 GeVの14個の対数エネルギー区分に分割された4年間のFermi-LAT P7REP クリーンクラスデータにフィットする。
• 逆コンプトン成分は、各エネルギー区分ごとに自由パラメータN_IC(E)により再スケーリングされ、等方的放射、縁部放射、太陽・月放射は固定または可変テンプレートでモデル化される。
• 初期フィットからの残差マップをフィルタリングし、繰り返し再注入することで、FermiバブルやLoop Iのような未考慮の大規模構造をモデル化する。
• 最終的なモデルは、現実的な放射過程モデルを用いてフィット範囲を超えて外挿され、P7REP_CLEAN_V15 IRFsを用いて露光補正が施される。
• 得られたモデルは、50 MeVから600 GeVの30個の対数エネルギー区分、0.125°グリッドに再サンプリングされたFITSファイル（gll_iem_v06.fit）として公開される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして広いエネルギー範囲にわたってガスおよび逆コンプトンテンプレートの線形結合として銀河系拡散γ線放射を正確にモデル化できるか？
• RQ2 宇宙線陽子が銀河間ガスと相互作用する際の空間的・スペクトル的挙動は何か？また、銀河中心距離に応じてどのように変化するか？
• RQ3 FermiバブルやLoop Iのような大規模構造は、標準テンプレートフィット後に残存する放射にどの程度寄与しているか？
• RQ4 フィルタリングされたカウントを繰り返し再注入することで、残差放射マップがどの程度モデルの改善に寄与するか？
• RQ5 逆コンプトン放射成分のスペクトル的特徴は何か？また、GALPROPの予測と比較してどう異なるか？

主な発見

• 宇宙線陽子スペクトルは、銀河中心距離の増加に伴い連続的に軟化しており、CRフラックスに半径方向勾配があることを示唆している。
• Fermiバブルは、残差マップ解析により、その基部で懸垂線型の形状を示していることが判明した。
• モデルはFermi-LATデータと非常に良好に一致しており、全モデルを差し引いた残差マップには小スケールのずれしか示さない。
• RES_IC（残差逆コンプトン）成分の導入により、特に銀河中心部およびFermiバブル周辺の1.7–50 GeV範囲でフィットが著しく改善された。
• 最終的なモデル（gll_iem_v06.fit）は、P7REP_CLEAN_V15 IRFsと併用可能なように校正され、V15/V10露光比を用いた露光補正が施されている。
• モデルはFermi科学支援センターで公開されており、Pass 7再処理データおよび関連する機器応答関数と併用することを目的としている。