[论文解读] Constraints on the cosmic ray diffusion coefficient in the W28 region from gamma-ray observations

S. Gabici, S. Casanova+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 15

一句话总结

本文利用多能量伽马射线观测，研究了W28超新星遗迹区域的宇宙射线（CR）扩散。研究提出，分子云中观测到的GeV和TeV伽马射线发射源自逃离超新星遗迹（SNR）的宇宙射线的强子相互作用，为匹配数据，需将扩散系数显著抑制（χ ≈ 0.06），相对于银河系平均值，表明宇宙射线源附近存在增强的磁湍流。

ABSTRACT

GeV and TeV gamma rays have been detected from the supernova remnant W28 and its surroundings. Such emission correlates quite well with the position of dense and massive molecular clouds and thus it is often interpreted as the result of hadronic cosmic ray interactions in the dense gas. Constraints on the cosmic ray diffusion coefficient in the region can be obtained, under the assumption that the cosmic rays responsible for the gamma ray emission have been accelerated in the past at the supernova remnant shock, and subsequently escaped in the surrounding medium. In this scenario, gamma ray observations can be explained only if the diffusion coefficient in the region surrounding the supernova remnant is significantly suppressed with respect to the average galactic one.

研究动机与目标

• 确定W28超新星遗迹附近分子云的伽马射线发射是否由逃离SNR的宇宙射线的强子相互作用产生。
• 约束W28周围区域的宇宙射线扩散系数，特别是其与银河系平均值的偏差。
• 检验宇宙射线流体增强磁湍流、从而在源附近降低扩散的假设。
• 评估该模型与TeV（HESS）和GeV（FERMI, AGILE）伽马射线数据的一致性。

提出的方法

• 求解点状宇宙射线从SNR注入的宇宙射线扩散方程，假设各向同性和均匀扩散，D = χD_gal ∝ E^0.5。
• 使用扩散半径 R_d = √(4Dt_diff) 来建模宇宙射线的空间分布，其中 f_CR ∝ ηE_SN / R_d^3 对于 R < R_d。
• 应用伽马射线产生截面和光谱参数化（Kamae et al. 2006），计算宇宙射线与分子云相互作用产生的发射。
• 对来自三个分子云的HESS TeV数据进行联合拟合，以约束χ和η。
• 将模型预测与FERMI和HESS的宽带谱进行比较，包括背景减除效应。
• 评估在宇宙射线逃逸时间不确定性和SNR有限尺寸下的模型鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 W28区域分子云中观测到的伽马射线发射能否由逃离SNR的宇宙射线的强子相互作用来解释？
• RQ2 为重现观测到的伽马射线谱，W28区域宇宙射线扩散系数χ相对于银河系平均值的所需值是多少？
• RQ3 观测到的伽马射线形态和谱是否意味着扩散显著受抑制，与宇宙射线驱动的磁湍流一致？
• RQ4 该模型在TeV和GeV伽马射线数据上的拟合效果如何？GeV能量带存在哪些限制？
• RQ5 考虑到SNR的有限尺寸和演化过程，点状宇宙射线源假设对低能宇宙射线是否成立？

主要发现

• 对三个TeV伽马射线源（HESS J1801-233, J1800-240 A/B）的联合拟合要求χ ≈ 0.06（假设加速效率η = 30%），表明扩散系数相对于银河系平均值被强烈抑制。
• TeV宇宙射线的扩散半径估计为R_d ≈ 60 pc，表明分子云的物理距离必须在该范围内，模型才成立。
• 该模型与FERMI和HESS的宽带伽马射线谱表现出定性一致，特别是考虑到宇宙射线背景和源的接近程度。
• HESS J1800-240 A在GeV能量段无发射，若该云位于宇宙射线扩散半径之外（65 pc > 60 pc），则与模型一致，表明其距离过远，无法获得显著的宇宙射线通量。
• 结果支持由于宇宙射线驱动的磁湍流导致扩散被抑制的场景，尽管宇宙射线逃逸时间及SNR有限尺寸的不确定性限制了GeV能段的精度。
• 未来来自切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）的观测有望解决剩余的模糊性，并检验该机制是否适用于其他超新星遗迹-分子云关联系统。