[论文解读] A GeV-TeV particle component and the barrier of cosmic-ray sea in the Central Molecular Zone

Xiaoyuan Huang, Qiang Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 67被引用 15

一句话总结

本研究利用费米-LAT γ射线数据，在银河系中心的中心分子区（CMZ）中识别出一个GeV-TeV宇宙射线组分，其能谱更硬、通量更低，与弥漫宇宙射线背景的预期不符。这一差异表明银河系中心存在一个高能加速器，以及一个可能为磁性的抑制屏障，限制了宇宙射线背景向CMZ区域的渗透。

ABSTRACT

Cosmic rays are important probe of a number of fundamental physical problems such as the acceleration of high and very high energy particles in extreme astrophysical environments. The Galactic center is widely anticipated to be an important cosmic-ray source and the observations of some Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes did successfully reveal a component of TeV-PeV cosmic rays in the vicinity of the Galactic center. Here we report the identification of GeV-TeV cosmic rays in the central molecular zone with the $\gamma$-ray observations of the Fermi Large Area Telescope, whose spectrum and spatial gradient are consistent with that measured by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes but the corresponding cosmic-ray energy density is substantially lower than the so-called cosmic-ray sea component, suggesting the presence of a high energy particle accelerator at the Galactic center and the existence of a barrier that can effectively suppress the penetration of the particles from the cosmic-ray sea to the central molecular zone.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT γ射线数据，识别并表征中心分子区（CMZ）中的低能宇宙射线组分。
• 确定CMZ区域观测到的γ射线发射是否源于宇宙射线背景与分子气体的相互作用，或来自一个独立的局域源。
• 研究CMZ区域宇宙射线的空间和能谱特性相对于更广泛银河系宇宙射线分布的特征。
• 评估银河系中心GeV过量（GCE）在形成观测到的γ射线发射中的作用，并将其贡献从分析中分离出来。
• 基于通量和能谱差异，推断是否存在抑制宇宙射线背景向CMZ区域渗透的屏障。

提出的方法

• 对费米-LAT数据在CMZ区域进行形态和能谱分析，使用GALPROP和普朗克尘埃光学厚度模板，模拟中性π介子衰变产生的γ射线发射。
• 在CMZ区域和非CMZ区域拟合γ射线通量和能谱指数，将观测到的能谱与宇宙射线背景模型的预测进行比较。
• 将银河系中心GeV过量（GCE）组分纳入弥漫发射模型，以避免分析中的偏差。
• 使用GALPROP代码模拟宇宙射线传播及与分子气体相互作用产生的γ射线。
• 应用置信区间（1σ，2σ）评估能谱和通量测量中的不确定性。
• 比较使用不同气体模板（GALPROP与普朗克）的结果，以减少XCO因子在气体密度转换中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMZ中是否存在一个与弥漫宇宙射线背景不同的独立GeV-TeV宇宙射线组分？
• RQ2 CMZ区域γ射线发射的能谱硬度和通量水平是否与宇宙射线背景与分子气体相互作用的预期相符？
• RQ3 银河系中心GeV过量（GCE）在观测到的γ射线发射中起什么作用？在分析中应如何处理其贡献？
• RQ4 是否存在一个物理屏障（如强磁场）抑制宇宙射线从背景向CMZ区域的渗透？
• RQ5 观测到的通量与预测通量之间的差异对银河系中心宇宙射线环境意味着什么？

主要发现

• 在CMZ中识别出一个GeV-TeV宇宙射线组分，其能谱指数为2.49 ± 0.07，比GALPROP银河系弥漫发射模型预测的2.68更硬。
• CMZ区域从8 GeV到500 GeV的积分γ射线通量为(7.05 ± 0.44) × 10⁻⁵ MeV cm⁻² s⁻¹，显著低于宇宙射线背景相互作用所预期的通量。
• 观测到的能谱与H.E.S.S.及其他IACT的VHE观测结果一致，支持银河系中心存在一个高能粒子加速器。
• 推断的CMZ区域宇宙射线能量密度明显低于外推的宇宙射线背景水平，表明外部粒子流入受到抑制。
• 该差异最合理的解释是CMZ周围存在一个屏障（可能为磁性），限制了来自银河系盘面的宇宙射线渗透。
• 当使用普朗克尘埃光学厚度模板替代GALPROP时，结果依然稳健，降低了XCO因子在气体密度转换中的不确定性。