[论文解读] A new estimate of the Galactic interstellar radiation field between 0.1 microns and 1000 microns

T. A. Porter, A. W. Strong|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 32

一句话总结

本文提出了一种新的、物理自洽的银河系星际辐射场（ISRF）模型，波长范围为0.1至1000 μm，结合了更新的恒星与尘埃分布，并全面处理了吸收、散射以及瞬态/红外发射。该模型通过整合近期关于银河系棒、盘结构和尘埃颗粒加热的数据，在先前工作的基础上得到改进，为弥散逆康普顿伽马射线计算提供了更精确的ISRF。

ABSTRACT

Cosmic-ray electrons and positrons propagating in the Galaxy produce diffuse gamma-rays via the inverse Compton (IC) process. The low energy target photon populations with which the cosmic-rays interact during propagation are produced by stars, this stellar light being reprocessed by Galactic dust. Detailed modelling of the Galactic stellar distribution, dust distribution, and treatment of the absorption and scattering of light is therefore required to obtain accurate models for the low energy Galactic photon distribution and spectrum. Using a realistic Galactic stellar distribution model, and dust distribution, we calculate the diffuse radiation field from stars in the Galaxy (the `optical' radiation field), including absorption and scattering. Using a dust heating code, we self-consistently calculate the infra-red radiation field for the same dust model used for the optical calculation; both transient and equilibrium heating are included. We present the calculated radiation field spectra and distributions, and will use these to calculate the expected Galactic diffuse IC gamma-ray spectrum.

研究动机与目标

• 开发一个在0.1–1000 μm范围内物理自洽的、三维银河系星际辐射场（ISRF）模型。
• 通过整合关于恒星群体、银河系结构和尘埃特性的新观测数据，改进Strong等（2000）的ISRF模型。
• 全面处理尘埃的吸收、散射和再发射，包括小颗粒的瞬态加热和大颗粒的平衡加热。
• 生成一个公开可用的ISRF模型，供未来GLAST时代弥散伽马射线分析使用。
• 实现对宇宙射线电子和正电子产生逆康普顿伽马射线发射的更精确预测。

提出的方法

• 基于SKY模型并结合2MASS和DENIS数据的更新，采用改进的恒星分布模型，包含独立的棒成分和在3 kpc处的径向截断。
• 采用自洽的尘埃模型，包含石墨、多环芳烃（PAH）和硅酸盐颗粒，使用Li & Draine（2001）的尺寸依赖光学性质，以及Weingartner & Draine（2001）的颗粒尺寸分布。
• 通过使用波长和颗粒尺寸相关的不对称参数的Henyey-Greenstein相函数，迭代求解多重散射（吸收与散射）过程，计算光学辐射场。
• 通过平衡吸收的光学辐射与再发射，建模红外发射，利用Draine & Li（2001）的热连续方法，区分小颗粒的瞬态加热与大颗粒的平衡加热。
• 在圆柱形银河系几何结构（R_max = 20 kpc，z_max = 5 kpc）中执行三维体积分，假设尘埃遵循Strong等（2000）的气体分布，并采用指数金属度梯度。
• 通过与阿波罗、DIRBE和FIRAS观测数据对比验证结果，尤其关注局部ISRF和银河系内空间变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含独立的银河系棒和更新的盘结构如何影响星际辐射场的空间分布？
• RQ2 考虑多重散射和瞬态尘埃加热后，与先前模型相比，光学和红外ISRF的准确性提高了多少？
• RQ3 该新ISRF模型在紫外、光学和红外波段，特别是10–40 μm范围内，对观测辐射场的重现程度如何？
• RQ4 ISRF在银河系平面和晕区的空间变化如何？其与气体/尘埃分布特征的相关性如何？
• RQ5 该新ISRF对宇宙射线电子和正电子产生弥散逆康普顿伽马射线发射的预测有何影响？

主要发现

• 该模型与阿波罗、DIRBE和FIRAS数据在局部ISRF（包括CMBR）方面具有良好一致性，尤其在光学和红外波段。
• 在0.2至2 μm波段，光学辐射场的散射成分占总量的10–20%，与观测到的弥散银河光（DGL）一致。
• 该模型低估了紫外辐射场，表明输入恒星模型中可能存在缺失的恒星群体或光谱能量分布不准确。
• 在10至40 μm波段，该模型低估了红外发射，但这可能是由于DIRBE观测中存在黄道光污染所致，而非根本性缺陷。
• 在银河系内区和高海拔区域（z ≈ 5 kpc），ISRF保持较强，且在R ≈ 4 kpc处长波长（>100 μm）出现明显的发射平台，可能与尘埃/气体分布的峰值有关。
• 该新ISRF将被整合进GALPROP宇宙射线传播代码，并公开发布，供GLAST时代伽马射线研究使用。