[论文解读] Account of the baryonic feedback effect in gamma-ray measurements of intergalactic magnetic fields

Kyrylo Bondarenko, Alexey Boyarsky+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文研究了星系风——特别是磁化喷流——对宇宙空洞中星际磁场（IGMF）伽马射线测量的影响。利用IllustrisTNG宇宙学模拟，研究发现此类反馈通常仅抑制次级伽马射线通量约~10%，表明观测到的通量抑制更可能反映原始IGMF而非反馈效应——除非在罕见的硬谱源情况下，由于局部气泡影响，抑制程度可高达60%。

ABSTRACT

Intergalactic magnetic fields in the voids of the large-scale structure can be probed via measurements of secondary gamma-ray emission from gamma-ray interactions with extragalactic background light. Lower bounds on the magnetic field in the voids were derived from the non-detection of this emission. It is not clear a priori what kind of magnetic field is responsible for the suppression of the secondary gamma-ray flux: a cosmological magnetic field that might be filling the voids or the field spread by galactic winds driven by star formation and active galactic nuclei. We used IllustrisTNG cosmological simulations to study the effect of magnetized galactic wind bubbles on the secondary gamma-ray flux. We show that within the IllustrisTNG model of baryonic feedback, the galactic wind bubbles typically provide energy-independent secondary flux suppression at the level of about 10%. The observed flux suppression effect has to be due to the cosmological magnetic field in the voids. This might not be the case for a special case when the primary gamma-ray source has a hard intrinsic gamma-ray spectrum that peaks in the energy range above 50 TeV. In this case, the observational data may be strongly affected by the magnetized bubble that is blown by the source host galaxy.

研究动机与目标

• 评估星系外流的重子反馈是否可能在伽马射线观测中模仿或掩盖原始星际磁场（IGMF）的探测。
• 确定活动星系核（AGN）驱动的磁化气泡在视线方向对次级伽马射线通量的抑制程度。
• 区分空洞中IGMF引起的通量抑制与星系际介质中反馈驱动的磁化气泡引起的抑制。
• 量化使用Fermi-LAT数据进行IGMF测量时，反馈效应引入的系统性不确定度。
• 评估反馈效应在何种条件下占主导地位，特别是当源的高能截止高于50 TeV时。

提出的方法

• 利用IllustrisTNG宇宙学模拟，模拟星系际介质中磁化星系风气泡的分布与动力学。
• 追踪来自遥远AGN的高能光子在磁化区域中的传播，通过电磁级联计算次级伽马射线发射。
• 模拟电子-正电子在磁场所致偏转导致的伽马射线通量抑制，涵盖空洞与磁化气泡区域。
• 比较能量依赖性抑制特征：气泡引起的能量无关抑制与IGMF引起的能量相关抑制。
• 分析主源能谱形状的影响，特别是高能截止（>50 TeV）对气泡在通量抑制中相对贡献的影响。
• 通过多条视线方向的统计分析，量化反馈效应在IGMF测量中引入的系统性不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由重子反馈产生的磁化星系风气泡在星系际介质中对次级伽马射线通量的抑制程度如何？
• RQ2 观测到的次级伽马射线通量抑制是否可归因于宇宙学星际磁场，而非反馈驱动的气泡？
• RQ3 主AGN伽马射线源的能谱形状如何影响气泡与IGMF在通量抑制中相对重要性？
• RQ4 能否基于其独特的能量依赖性抑制特征，在观测数据中区分磁化气泡与IGMF的影响？
• RQ5 使用Fermi-LAT数据进行IGMF测量时，反馈效应引入的系统性不确定度有多大？

主要发现

• 在IllustrisTNG的重子反馈模型中，磁化星系风气泡通常对次级伽马射线通量造成约10%的抑制，且与电子/正电子能量无关。
• 在罕见情况下——例如视线方向在前100 Mpc内存在广泛气泡污染——通量抑制可高达60%，主要源于局部磁场增强。
• 磁化气泡引起的抑制为能量无关，而空洞中星际磁场引起的抑制为能量相关，仅在低能段显著。
• 这一差异使得在主源能谱被良好约束的前提下，可在观测数据中分离气泡效应与IGMF效应。
• 对于高能截止高于50 TeV的源，主光子的平均自由程与宿主星系磁化气泡尺寸相当，导致强烈抑制及较大的系统性不确定度。
• 可靠的IGMF测量需要大量源样本以平均反馈气泡的可变影响，系统性不确定度在通量抑制中的平均估计值约为~10%（个别源最高达60%）。