[论文解读] Cosmic Gamma-ray Background Radiation

Yoshiyuki Inoue|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 10

一句话总结

本文综述了费米空间望远镜对宇宙GeV伽马射线背景（CGB）的测量结果，揭示其主要由耀星系、射电星系和恒星形成星系组成，具有幂律谱（光子指数2.32），并在279 GeV处出现截断。未解析的CGB在约1 GeV处贡献了约30%的流量，未来研究将致力于探测暗物质、MeV CGB以及与冰立方中微子事件的关联。

ABSTRACT

The cosmic gamma-ray background radiation is one of the most fundamental observables in the gamma-ray band. Although the origin of the cosmic gamma-ray background radiation has been a mystery for a long time, the Fermi gamma-ray space telescope has recently measured it at 0.1-820 GeV and revealed that the cosmic GeV gamma-ray background is composed of blazars, radio galaxies, and star-forming galaxies. However, Fermi still leaves the following questions. Those are dark matter contribution, origins of the cosmic MeV gamma-ray background, and the connection to the IceCube TeV-PeV neutrino events. In this proceeding, I will review the current understandings of the cosmic gamma-ray background and discuss future prospects of cosmic gamma-ray background radiation studies. I also briefly review the current status of cosmic infrared/optical background radiation studies.

研究动机与目标

• 阐明宇宙GeV伽马射线背景（CGB）的起源，这是高能天体物理学中长期存在的谜题。
• 利用费米数据评估耀星系、射电星系和恒星形成星系对CGB的贡献。
• 探究未解之谜：暗物质信号、MeV CGB以及与冰立方TeV–PeV中微子事件的关联。
• 探讨宇宙红外/光学背景（COB/CIB）在伽马射线衰减中的作用及其对源谱的影响。
• 识别未来探测宇宙TeV伽马射线背景及多信使关联的观测与分析路径。

提出的方法

• 分析费米-LAT数据，测量0.1至820 GeV波段的CGB全频谱，解析了约1 GeV处30%的流量。
• 利用大量耀星系的集体谱，探测由宇宙红外/光学背景（CIB）引起的红移依赖性衰减。
• 应用涉及$\gamma\gamma$对产生过程的伽马射线衰减模型，其中$\tau_{\gamma\gamma} \propto E_{\gamma}^{-2}$，且$\lambda_{\rm peak} \simeq 2.5(E_{\gamma}[{\rm TeV}])\ \mu{\rm m}$。
• 将伽马射线天图与宇宙弱引力透镜图进行交叉相关，以探测暗物质湮灭信号。
• 将费米CGB测量结果与冰立方中微子数据进行比较，以检验TeV–PeV中微子的河外$pp$相互作用情景。
• 利用费米和H.E.S.S.观测对$\gamma\gamma$光学厚度的上限，约束$z \leq 4.35$红移范围内的COB/CIB。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙GeV伽马射线背景的主要天体物理起源是什么？耀星系、射电星系和恒星形成星系的贡献如何？
• RQ2 在279 GeV处观测到的CGB谱指数衰减，在多大程度上反映了伽马射线通过宇宙红外/光学背景的衰减？
• RQ3 CGB的各向异性能否约束暗物质湮灭或衰变信号？
• RQ4 宇宙MeV伽马射线背景的起源是什么？如何通过各向异性探测其性质？
• RQ5 宇宙TeV伽马射线背景与冰立方TeV–PeV中微子事件之间是否存在关联，特别是通过河外$pp$相互作用？

主要发现

• 费米在0.1至820 GeV能量范围内测量的宇宙GeV伽马射线背景谱与光子指数为2.32的幂律谱一致，并在279 GeV处出现指数截断。
• 未解析CGB的强度为$7.2 \times 10^{-6}\ \rm{cm^{-2}s^{-1}sr^{-1}}$（能量高于0.1 GeV），在约1 GeV处约30%被解析，且在更高能量下解析比例更高。
• 耀星系、射电星系和恒星形成星系被确定为CGB的主要贡献者，其中耀星系在$>100$ GeV能量段占主导地位。
• 费米利用耀星系的集体谱，已探测到红移至$z = 1.5$的伽马射线通过CIB的红移依赖性衰减，证实了CIB在$\gamma\gamma$吸收中的作用。
• H.E.S.S.已成功在明亮耀星系谱中探测到局部COB/CIB的印记，前提是源的本征谱平滑。
• CIBER合作组报告称，在1.1和1.6 $\mu$m波段的CIB涨落中存在超额，暗示可能存在超出已知星系的新天体种群。