[论文解读] Evaluation of Hadronic Emission in Starburst Galaxies and Star-forming Galaxies

Yunchuan Xiang, Z. J. Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 85被引用 2

一句话总结

本研究使用单区和双区强子模型重新分析了13个星暴星系和星系形成星系的11年Fermi-LAT数据，以研究GeV伽马射线辐射。结果表明，幂律质子分布并带有指数截断的模型可解释大多数源的辐射，但NGC 1068和NGC 4945的谱硬化现象需依赖双区模型来解释，质子截断能量可达~100 TeV，星暴星系的能量预算约为~10⁵⁴ erg。

ABSTRACT

In this work, we reanalyzed 11 years of spectral data from the extit{Fermi} Large Area Telescope ( extit{Fermi}-LAT) of currently observed starburst galaxies (SBGs) and star-forming galaxies (SFGs). We used a one-zone model provided by extbf{NAIMA} and the hadronic origin to explain the GeV observation data of the SBGs and SFGs. We found that a protonic distribution of a power-law form with an exponential cutoff can explain the spectra of most SBGs and SFGs. However, it cannot explain the spectral hardening components of NGC 1068 and NGC 4945 in the GeV energy band. Therefore, we considered the two-zone model to well explain these phenomena. We summarized the features of various model parameters, including the spectral index, cutoff energy, and protonic total energy. Similar to the evolution of supernova remnants (SNRs) in the Milky Way, we estimated the protonic acceleration limitation inside the SBGs to be likely in the order of 10$^{2}$ TeV using the one-zone model; this is close to those of SNRs in the Milky Way.

研究动机与目标

• 本文旨在阐明星暴星系和星系形成星系中GeV伽马射线辐射的起源。
• 研究强子过程（特别是质子-质子相互作用）是否能解释观测到的能谱。
• 探讨单区模型在拟合NGC 1068和NGC 4945中谱硬化现象时的局限性。
• 利用NAIMA和Fermi-LAT数据评估宇宙射线加速与传播在这些星系中的作用。
• 目标还包括估算质子能量预算和截断能量，以约束粒子加速机制。

提出的方法

• 作者使用了2008年至2019年期间的11年Fermi-LAT Pass 8数据，能量范围为100 MeV至500 GeV。
• 采用基于图像的极大似然法，使用'P8R3 SOURCE V2'响应函数和背景模板。
• 采用单区模型，其质子分布为幂律并带有指数截断，用于拟合13个星系的GeV能谱。
• 对于NGC 1068和NGC 4945，引入双区模型以解释谱硬化现象，包含两个独立的强子成分。
• 使用NAIMA谱模型工具模拟宇宙射线相互作用产生的强子辐射。
• 利用4FGL星表和自定义脚本生成源模型，能量指数和归一化参数作为自由参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 单区强子模型（质子分布为幂律并带有指数截断）能否解释星暴星系和星系形成星系的GeV伽马射线能谱？
• RQ2 为何NGC 1068和NGC 4945在GeV波段表现出谱硬化，而单区模型无法再现这一现象？
• RQ3 双区模型对星暴星系中宇宙射线传播与加速有何影响？
• RQ4 这些星系中质子截断能量与能量预算与银河系超新星遗迹相比如何？
• RQ5 这些星系中伽马射线辐射的强子起源是否与观测到的光度关系一致？

主要发现

• 单区模型（质子分布为幂律并带有指数截断）成功解释了大多数星暴星系和星系形成星系的GeV能谱。
• NGC 1068和NGC 4945在GeV波段表现出谱硬化，单区模型无法再现，因此必须采用双区方法。
• 双区模型对硬化成分的拟合更优，其中强子成分1更硬，且质子能量预算（Wp）低于成分2。
• NGC 253和M82的质子截断能量（Ecutoff）达到约10² TeV，表明质子加速效率很高。
• 星暴星系及SBG-AGNs的平均质子能量预算（Wp）约为10⁵⁴ erg，而星系形成星系约为~10⁵³ erg。
• 星暴星系和SBG-AGNs的谱指数分别约为2.30和2.19，而SFGs的谱指数更软，平均为2.43。