[论文解读] A Hadronic Scenario for the Galactic Ridge

Daniele Gaggero, Dario Grasso+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种强子起源的银河系银道面弥散伽马射线与中微子辐射模型，采用具有径向依赖性的宇宙射线输运模型（KRA γ），该模型成功解释了费米-LAT和H.E.S.S.观测到的硬伽马射线谱。该模型预测银心区域中微子通量显著增强，与冰立方观测到的宇宙中微子通量及ANTARES的上限一致，且表明KM3NeT有望在四年内数据积累后区分该模型与传统模型。

ABSTRACT

Several observations from Fermi-LAT, up to few hundred GeV, and from H.E.S.S., up to $\sim$ 10 TeV, reported an intense $γ$-ray emission from the inner part of the Galactic plane. After the subtraction of point-like contributions, the remaining $γ$-ray spectrum can provide important hints about the cosmic-ray (CR) population in that region. In particular, the diffuse spectrum measured by both Fermi-LAT and H.E.S.S. in the Galactic Ridge is significantly harder with respect to the rest of the Galaxy. These results were recently interpreted in terms of a comprehensive CR transport model which, adopting a spatial dependent diffusion coefficient and convective velocity, reproduces Fermi-LAT results on the whole sky as well as local CR spectra. We showed as that model predicts a significantly harder neutrino diffuse emission compared to conventional scenarios: The predicted signal is able to account for a significant fraction of the astrophysical flux measured by IceCube. In this contribution, we use the same setup to calculate the expected neutrino flux from several windows in the inner Galactic plane and compare the results with IceCube observations and the sensitivities of Mediterranean neutrino telescopes. In particular, for the ANTARES experiment, we compare the model expectations with the upper limits obtained from a recent unblinded data-analysis focused on the galactic ridge region. Moreover, we also show the expectations from the galactic ridge for the future KM3NeT observatory, whose position is optimal to observe this portion of the sky.

研究动机与目标

• 解释银河系银道面区域观测到的硬弥散伽马射线谱，其能量谱指数比传统宇宙射线输运模型的预测更硬。
• 研究径向变化的宇宙射线扩散系数与对流风是否能调和费米-LAT与H.E.S.S.在银心区域的伽马射线数据。
• 评估该模型对弥散中微子辐射的含义，特别是在冰立方观测到的宇宙中微子通量背景下的影响。
• 将模型预测与ANTARES和冰立方现有的中微子约束进行比较，并评估未来KM3NeT观测的灵敏度。
• 确定银河系银道面是否可能是弥散银河系中微子的主要来源，尤其考虑到冰立方在该区域的角分辨率较差。

提出的方法

• 采用改进的宇宙射线输运模型（KRA γ），其中扩散系数的刚度标度指数δ和对流速度具有径向依赖性。
• 使用DRAGON代码模拟宇宙射线传播，并预测银河系银道面区域的伽马射线与中微子能谱。
• 将同一模型应用于计算内银河平面预期的中微子通量，假设来自致密分子气体中质子-质子碰撞产生的π介子衰变。
• 将模型预测与费米-LAT和H.E.S.S.的伽马射线数据进行比较，包括能谱指数与通量水平。
• 评估冰立方（37个高于30 TeV的事件）和ANTARES（1500天有效时间，90%置信水平上限）在3–300 TeV能量范围内的约束。
• 预测未来KM3NeT天文台在四年内数据积累下的灵敏度，以区分KRA γ模型与传统模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有径向依赖性的宇宙射线扩散模型能否解释费米-LAT与H.E.S.S.在银河系银道面观测到的硬伽马射线谱？
• RQ2 在此强子情景下，银河系银道面的预测弥散中微子通量是多少？其与冰立方观测到的宇宙中微子通量相比如何？
• RQ3 当前的中微子实验（如ANTARES和冰立方）在多大程度上能够约束KRA γ模型？
• RQ4 未来的KM3NeT观测能否区分KRA γ模型与传统宇宙射线输运模型？
• RQ5 在该情景下，冰立方的高能中微子事件中有多大比例可归因于银河系银道面？

主要发现

• KRA γ模型成功再现了费米-LAT与H.E.S.S.在银河系银道面区域观测到的硬伽马射线谱，能谱指数为Γ ≈ -2.29。
• 该模型预测在内银河平面区域，高于20 TeV能量的中微子通量比传统模型高出数倍。
• 银河系银道面预测的中微子通量在3–300 TeV能量范围内与ANTARES的90%置信水平上限一致。
• 该模型可解释冰立方观测到的37个高于30 TeV的高能中微子事件中的10–40%，具体比例取决于膝区宇宙射线谱的细节。
• 得益于其优越的角分辨率和对上行μ子中微子的高灵敏度，KM3NeT有望在四年内数据积累后区分KRA γ模型与传统模型。
• 该模型与伽马射线和中微子数据的一致性强烈支持银河系银道面辐射的强子起源，尤其在高能区缺乏可行的轻子替代方案的背景下。