[论文解读] Broad-band diffuse gamma ray emission of the Galactic Disk

F. Aharonian, A. M. Atoyan|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用 39

一句话总结

本文研究了从10⁴ eV到10¹⁴ eV能量范围内银河系盘面的弥散伽马射线辐射，识别出主要辐射机制：在1–100 MeV能量段，电子的轫致辐射和逆康普顿散射占主导；在100 MeV–100 GeV能量段，宇宙射线质子和原子核与星际气体相互作用产生的π介子衰变占主导；在极高能段，TeV量级电子的逆康普顿辐射占主导。关键发现是，E ≥ 100 GeV能量段的高能伽马射线谱对电子能量谱和传播模型极为敏感，这对区分辐射的强子起源与轻子起源具有重要意义。

ABSTRACT

The contributions of different radiation mechanisms to the diffuse gamma-ray emission of the galactic disk are studied in a broad energy region from X-rays to very high energy gamma rays.

研究动机与目标

• 确定在银河系盘面宽广能量范围内，不同辐射机制（轫致辐射、逆康普顿散射和π介子衰变）对弥散伽马射线辐射的相对贡献。
• 评估观测到的GeV能量段伽马射线辐射对宇宙射线谱及传播特性（尤其是银心区域）的影响。
• 评估E ≥ 100 GeV能量段的高能伽马射线辐射是否主要由多TeV电子的逆康普顿散射主导，或由宇宙射线原子核产生的π介子衰变主导。
• 考察超相对论电子产生的同步辐射在产生银河系银心区域观测到的硬X射线辐射中的潜在作用。
• 为未来GLAST和地面切伦科夫望远镜获得的高分辨率伽马射线数据提供解释框架，以理解宇宙射线的加速与传播机制。

提出的方法

• 利用电子轫致辐射、逆康普顿散射以及宇宙射线与星际气体相互作用产生的π介子衰变等辐射机制，对10⁴ eV至10¹⁴ eV能量范围内的弥散伽马射线辐射进行建模。
• 采用能量依赖的电子和质子注入谱，计算相应的伽马射线通量，重点关注谱指数和最大能量。
• 评估中等相对论性正电子与周围热电子在飞行中湮灭对约1 MeV伽马射线辐射的贡献。
• 评估不同宇宙射线传播模型（扩散型与对流逃逸型）对预测的高能伽马射线通量的影响。
• 将理论预测与SAS-2、COS-B、OSSE、COMPTEL和EGRET的观测数据进行比较，以约束模型参数。
• 预测通过GLAST和地面仪器（如H.E.S.S.和CANGAROO-3）探测极高能伽马射线的未来可探测性，以区分轻子与强子辐射情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10⁴ eV至10¹⁴ eV能量范围内，哪些是主导辐射机制，负责银河系盘面的弥散伽马射线辐射？
• RQ2 逆康普顿散射与π介子衰变的相对贡献如何随能量变化，特别是在E ≥ 100 GeV能量段？
• RQ3 观测到的银心区域GeV能量段伽马射线辐射是否可解释为真正的弥散辐射？这对星际介质中宇宙射线质子和原子核谱有何含义？
• RQ4 超相对论电子产生的同步辐射在多大程度上可解释银河系银心区域的硬X射线辐射？这会对电子能量和磁场强度施加何种约束？
• RQ5 未来来自GLAST和地面切伦科夫望远镜的高分辨率伽马射线观测将在多大程度上帮助区分极高能伽马射线的轻子与强子起源？

主要发现

• 在1–100 MeV能量段，弥散伽马射线辐射主要由能量低于1 GeV的电子产生的轫致辐射主导，高能电子的逆康普顿散射也有不可忽视的贡献。
• 约1 MeV能量段的显著辐射成分可能源于中等相对论性正电子与周围热电子在飞行中湮灭。
• 在100 MeV至100 GeV能量段，伽马射线通量主要源于宇宙射线质子和原子核与星际气体相互作用产生的次级π⁰介子衰变。
• 在E ≥ 100 GeV能量段，若电子注入谱延伸至1 TeV以上，逆康普顿成分可能与π介子衰变成分相当甚至超过后者。
• 观测到的E ≥ 100 GeV能量段极高能伽马射线通量对所假设的宇宙射线传播模型极为敏感：在扩散模型中，逆康普顿辐射占主导；在对流模型中，π介子衰变占主导。
• 超相对论电子产生的同步辐射可解释银河系银心区域弥散硬X射线辐射的显著部分，这要求电子最大能量达约10¹⁵ eV，且磁场强度≥20 μG。