[论文解读] Cosmic Rays VI - Starburst galaxies at multiwavelengths

J. K. Becker, Peter L. Biermann+2 more|ArXiv.org|Jan 13, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 8被引用 15

一句话总结

本文提出了一种模型，将星暴星系中的远红外/射电相关性与超新星遗迹中宇宙射线加速联系起来，采用漏桶箱近似来平衡星际介质中的能量。该模型预测，这些遗迹中的质子-质子相互作用会产生高能光子（对弥漫伽马射线背景的贡献约为1–3%），以及最大能量达~10⁵ GeV的中微子，且在附近伽马射线暴期间可能探测到中微子爆发。

ABSTRACT

We propose an explanation for the far-infrared/radio correlation of galaxies in terms of the energy balance of the interstellar medium and determine the flux from high-energy photons and neutrinos from starburst galaxies. We present a catalog of the 127 brightest starburst galaxies with redshifts of z<0.03. In order to investigate the correlation between radio- and far-infrared emission, we apply the leaky box approximation. Further, we derive photon- and neutrino spectra from proton-proton interactions in supernova remnants (SNRs). Here, we assume that a fraction of the SNR's energy is transferred to the acceleration of cosmic rays. We also investigate the possibility of detecting Gamma Ray Bursts from nearby starburst galaxies, using the catalog defined here. We show that the radio emission is only weakly dependent on the magnetic field. It turns out that the intensity of the radio signal is directly proportional to the number of supernova explosions, which scales with the far-infrared luminosity. In addition, we find that high-energy photons from proton-proton interactions in SNRs in starbursts can make up several percent of the diffuse gamma-ray background. The neutrino flux from the same sources has a maximum energy of ~1e5 GeV. Neutrinos can, on the other hand, can be observed if a Gamma Ray Burst happens in a nearby starburst. About 0.03 GRBs per year are expected to occur in the entire catalog. The true number is expected to be even higher, since we only include the brightest sources. The number of events per burst in IceCube varies between about one event and more than 1000 events. This provides good prospects for IceCube to detect a significant event, since the background for a GRB search is close to zero.

研究动机与目标

• 通过星际介质中的局部能量平衡模型，解释星暴星系中长期存在的远红外/射电光度相关性。
• 确定星暴星系中超新星遗迹内强子相互作用产生的高能光子和中微子通量。
• 评估利用IceCube中微子观测站探测来自附近星暴星系中伽马射线暴（GRBs）的高能中微子的可能性。
• 构建一个包含127个明亮、近距星暴星系（z < 0.03）的星表，用于多波段分析与模型验证。

提出的方法

• 应用漏桶箱近似来模拟星际介质中的能量平衡，将射电发射与超新星速率及远红外光度联系起来。
• 采用强子相互作用模型，计算超新星遗迹中质子-质子碰撞产生的次级光子和中微子能谱。
• 假设一部分超新星遗迹能量被引导至宇宙射线加速，参数通过观测到的射电和FIR光度进行标定。
• 构建一个包含127个星暴星系的星表，红移<0.03，整合来自IRAS、VLA、ROSAT和Chandra的多波段数据（FIR、射电、X射线）。
• 估算星表中GRB的出现率，假设星暴星系占所有GRB的一小部分，并模拟IceCube中可探测的中微事件率。
• 通过质子-质子相互作用的积分能谱，计算已解析星暴星系对弥漫伽马射线背景的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么物理机制解释了星暴星系中远红外与射电光度之间的紧密相关性？
• RQ2 超新星遗迹中强子相互作用产生的高能光子和中微子在多大程度上可解释弥漫高能伽马射线背景？
• RQ3 星暴星系产生的中微子通量预期是多少？当前观测站如IceCube能否探测到？
• RQ4 在所列星暴星表中，每年预计会发生多少次伽马射线暴？相关中微子爆发的可探测性如何？

主要发现

• 射电发射对磁场强度的依赖性较弱，且与超新星速率成正比，而后者与远红外光度成正比，从而解释了FIR/射电相关性。
• 超新星遗迹中质子-质子相互作用产生的高能光子对观测到的弥漫伽马射线背景的贡献约为1–3%。
• 这些相互作用产生的中微子最大能量可达~10⁵ GeV，其通量在未来高能中微子观测站中可能可探测。
• 在全部127个星暴星系星表中，每年预计约有0.03次伽马射线暴发生，IceCube中可探测的中微事件率每场爆发可达1至1000以上。
• IceCube中GRB搜寻的背景较低，使得探测来自附近星暴星系的中微子信号极具可行性，尤其考虑到星表聚焦于明亮、近距源。
• 该模型支持星形成区中以注入为主导的场景，与在M33等星系的空间分辨研究中观测到的平坦射电谱一致。