[论文解读] Diffuse Gamma Rays: Galactic and Extragalactic Diffuse Emission

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文对银河系内高能弥散伽马射线辐射及河外背景辐射进行了全面分析，将其与宇宙射线传播及星际介质相互作用联系起来。利用EGRET数据与理论建模，识别出银河系弥散谱中存在一个持续存在的GeV超额，暗示宇宙射线源分布、注入谱或星际辐射场假设可能存在不足，对暗物质与宇宙射线物理研究具有重要意义。

ABSTRACT

"Diffuse" gamma rays consist of several components: truly diffuse emission from the interstellar medium, the extragalactic background, whose origin is not firmly established yet, and the contribution from unresolved and faint Galactic point sources. One approach to unravel these components is to study the diffuse emission from the interstellar medium, which traces the interactions of high energy particles with interstellar gas and radiation fields. Because of its origin such emission is potentially able to reveal much about the sources and propagation of cosmic rays. The extragalactic background, if reliably determined, can be used in cosmological and blazar studies. Studying the derived "average" spectrum of faint Galactic sources may be able to give a clue to the nature of the emitting objects.

研究动机与目标

• 区分弥散伽马射线辐射的各个组分：银河系、河外背景以及未resolved的点源。
• 研究EGRET观测到的弥散伽马射线谱中未解释的GeV超额的起源。
• 评估宇宙射线传播模型在解释弥散辐射中的作用及其对宇宙射线源的启示。
• 评估对星际气体、辐射场及宇宙射线注入的改进模型，能否解决观测伽马射线谱中的差异。
• 为即将开展的GLAST任务的数据解释准备理论框架。

提出的方法

• 使用EGRET在100 MeV以上的全天连续伽马射线发射图，分析其空间与能谱特征。
• 应用假设宇宙射线起源于银河系、且宇宙射线密度与星际物质相关联的宇宙射线传播模型。
• 将伽马射线发射率建模为宇宙射线密度与星际气体或辐射场密度的乘积。
• 纳入来自恒星、尘埃及宇宙微波背景的星际辐射场，并考虑其空间变化。
• 将pp相互作用（通过中性π介子衰变）和逆康普顿散射的预测伽马射线谱与EGRET观测数据进行比较。
• 评估气体分布（H I、H II、CO追踪的H2）、辐射场及源分布的不确定性，以检验模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的银河系弥散伽马射线谱在1 GeV以上超出基于本地宇宙射线谱的预测？
• RQ2 假设的宇宙射线源分布、注入谱或星际介质特性中的不准确性，能在多大程度上解释GeV超额？
• RQ3 星际辐射场与气体分布的不确定性如何影响弥散伽马射线辐射的解释？
• RQ4 弥散伽马射线辐射能否为宇宙射线核子与电子的大尺度谱提供可靠约束？
• RQ5 未resolved的银河系点源在总弥散发射中扮演何种角色，它们如何可能贡献于GeV超额？

主要发现

• 100 MeV以上的弥散伽马射线辐射主要来自银河系贡献，主要源于宇宙射线与星际气体及辐射场的相互作用。
• 在EGRET谱中观测到一个持续存在的GeV超额，超过基于本地宇宙射线谱与标准传播模型的预测。
• 该超额无法通过pp相互作用截面或π⁰产生产额的重新计算来解释，表明模型假设中存在根本性差异。
• 单位氢原子的发射率随银河系半径增加而降低，表明宇宙射线源分布比超新星遗迹更平坦。
• 微弱银河系点源的未resolved贡献可能对弥散发射有贡献，或可为它们的本质提供线索。
• 本研究强调了改进星际介质结构、辐射场及宇宙射线注入模型的必要性，以解决GeV超额问题。