[论文解读] Deexcitation nuclear gamma-ray line emission from low-energy cosmic rays in the inner Galaxy

H. Benhabiles-Mezhoud, J. Kiener+2 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Dec 7, 2012

Atomic and Molecular Physics被引用 32

一句话总结

本文利用更新的截面数据和费米-LAT归一化，建模了银河系内区低能宇宙射线（LECRs）的核γ射线线状和连续谱发射，预测了通量。研究发现，尽管4.4-MeV线接近INTEGRAL的探测灵敏度，但未来角分辨率更高的望远镜可能探测到强烈的窄线和强烈的1–8 MeV连续谱发射，尤其是当LECRs分布不均匀时。

ABSTRACT

Recent observations of high ionization rates of molecular hydrogen in diffuse interstellar clouds point to a distinct low-energy cosmic-ray component. Supposing that this component is made of nuclei, two models for the origin of such particles are explored and low-energy cosmic-ray spectra are calculated which, added to the standard cosmic ray spectra, produce the observed ionization rates. The clearest evidence of the presence of such low-energy nuclei between a few MeV per nucleon and several hundred MeV per nucleon in the interstellar medium would be a detection of nuclear γ-ray line emission in the range E_ 0.1 - 10 MeV, which is strongly produced in their collisions with the interstellar gas and dust. Using a recent γ-ray cross section compilation for nuclear collisions, γ-ray line emission spectra are calculated alongside with the high-energy γ-ray emission due to π 0 decay, the latter providing normalization of the absolute fluxes by comparison with Fermi-LAT observations of the diffuse emission above E γ= 0.1 GeV. Our predicted fluxes of strong nuclear γ-ray lines from the inner Galaxy are well below the detection sensitivies of INTEGRAL, but a detection, especially of the 4.4-MeV line, seems possible with new-generation γ-ray telescopes based on available technology. We predict also strong γ-ray continuum emission in the 1-8 MeV range, which in a large part of our model space for low-energy cosmic rays exceeds considerably estimated instrument sensitivities of future telescopes.

研究动机与目标

• 研究低于每核子几百MeV的低能宇宙射线核（LECRs）的存在性与特性，其推断依据是弥散星际云中较高的电离率。
• 计算LECRs与银河系内区星际气体和尘埃相互作用产生的核γ射线线状和连续谱发射。
• 评估利用当前和未来伽马射线望远镜探测这些发射的可能性，特别关注4.4-MeV 12C线和1–8 MeV连续谱。
• 探讨LECRs分布的空间非均匀性对探测性和与其他弥散发射（如逆康普顿散射）区分性的影响。
• 提供通量预测，以指导未来伽马射线天文学的观测和仪器设计。

提出的方法

• 采用Indriolo等人（2009年）的宇宙射线能谱，并增加低能成分以匹配弥散云中观测到的H3+电离率。
• 使用更新的核反应截面（Murphy等人，2009年；Benhabiles等人，2011年），计算核素非弹性退激产生的γ射线线状发射。
• 利用π⁰衰变产生的高能弥散发射对总γ射线通量进行归一化，校准能量高于0.1 GeV的费米-LAT观测数据。
• 计算关键线状发射（4.4-MeV 12C、6.1-Mev 16O、1.63-MeV 24Mg）以及0.1–10 MeV和1–8 MeV能量区间内的宽带发射通量。
• 通过比较预测通量与INTEGRAL、COMPTEL以及未来任务（如CAPSiTT）的灵敏度，评估探测性，考虑角分辨率和源混淆问题。
• 基于观测到的电离率离散性，考虑LECRs的空间非均匀性，并通过局部通量增强效应建模其对探测性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系内区低能宇宙射线与星际介质相互作用产生的核γ射线线状发射（特别是12C的4.4-MeV线）的预期通量是多少？
• RQ2 预测的LECRs在1–8 MeV范围内的γ射线连续谱发射与未来空间伽马射线望远镜的灵敏度相比如何？
• RQ3 未来具有更高角分辨率的仪器能否将LECRs引起的γ射线发射与其它弥散成分（如逆康普顿散射）区分开来？
• RQ4 低能宇宙射线的空间非均匀性在多大程度上影响核γ射线线状发射的探测性？
• RQ5 LECRs能谱和成分的变化在多大程度上影响预测的γ射线线状发射通量及其探测性？

主要发现

• 银河系内区预测的4.4-MeV γ射线线状发射通量范围为(0.1 – 2.0) × 10⁻⁵ cm⁻² s⁻¹，具体取决于LECRs能谱和成分。
• 16O的6.1-MeV线预测通量为(0.1 – 1.0) × 10⁻⁵ cm⁻² s⁻¹，而24Mg的1.63-MeV线为(0.3 – 3.7) × 10⁻⁶ cm⁻² s⁻¹。
• 1–3 MeV能带发射预测通量为(0.2 – 1.3) × 10⁻⁴ cm⁻² s⁻¹，3–8 MeV能带为(0.3 – 2.1) × 10⁻⁴ cm⁻² s⁻¹，其值最高可达未来仪器灵敏度的20倍。
• 4.4-MeV线的探测在下一代望远镜（如CAPSiTT）中可行，尤其是当LECRs分布不均匀时，通量可能增强达10倍。
• 3–8 MeV连续谱发射非常强烈，即使在点源中仅占几十分之一浓度，也能被CAPSiTT等仪器探测到，其4.4-MeV线灵敏度约为~2 × 10⁻⁷ cm⁻² s⁻¹，3–8 MeV能带灵敏度约为~3 × 10⁻⁷ cm⁻² s⁻¹。
• 电离率的空间变化表明LECRs可能存在非均匀性，这将导致可探测的通量调制，并提升通过角分辨率与其它弥散发射分离的可能性。