[论文解读] Fermi-LAT detection of extended gamma-ray emission in the vicinity of SNR G045.7$-$00.4: evidence for escaping cosmic rays interacting with the surrounding molecular clouds

Hai-Ming Zhang, Ruo-Yu Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用 9

一句话总结

本文基于费米-LAT对SNR G045.7−00.4附近扩展GeV伽马射线发射的观测，识别出一个西部伽马射线源，其空间位置与致密分子云重合。该发射被解释为宇宙射线从超新星遗迹逃逸后与分子云相互作用产生的π介子衰变，总逃逸宇宙射线能量预算约为10⁵⁰ erg，两种年龄/扩散情景下均一致。

ABSTRACT

We present the analysis of Fermi Large Area Telecope (LAT) data of the gamma-ray emission in the vicinity of a radio supernova remnant (SNR), G045.7$-$00.4. To study the origin of the gamma-ray emission, we also make use of the CO survey data of Milky Way Imaging Scroll Painting to study the massive molecular gas complex that surrounds the SNR. The whole size of the GeV emission is significantly larger than that of the radio morphology. Above 3 GeV, the GeV emission is resolved into two sources: one is spatially consistent with the position of the SNR with a size comparable to that of the radio emission, and the other is located outside of the western boundary of the SNR and spatially coincident with the densest region of the surrounding molecular cloud. We suggest that the GeV emission of the western source may arise from cosmic rays (CRs) which have escaped the SNR and illuminated the surrounding molecular cloud. We find that the gamma-ray spectra of the western source can be consistently explained by this scenario with a total energy of $\sim 10^{50}{ m erg}$ in escaping CRs assuming the escape is isotropic.

研究动机与目标

• 研究SNR G045.7−00.4附近扩展GeV伽马射线发射的起源。
• 确定该发射是否源于从SNR逃逸的宇宙射线与周围分子云的相互作用。
• 利用伽马射线和CO数据约束逃逸宇宙射线的能量预算与扩散特性。
• 检验西部伽马射线源由逃逸宇宙射线照射分子云复合体驱动的假设。

提出的方法

• 使用2008年至2020年共12年的费米-LAT Pass 8数据，在3–500 GeV能量 band内采用分箱最大似然分析。
• 使用Fermipy工具建模源的扩展性和形态，对扩展源采用均匀圆盘模型拟合。
• 将费米-LAT数据与MWISP项目提供的CO巡天数据结合，绘制分子气体分布与密度。
• 使用逃逸通量公式建模pp相互作用产生的伽马射线通量：nCR(Ep, r) = Np,esc(Ep)/(4π³/²RescRdiffr) × [exp(−(Resc−r)²/Rdiff²) − exp(−(Resc+r)²/Rdiff²)]
• 使用pp非弹性散射的微分截面及参数化扩散系数D(Ep) = χ×10²⁸(Ep/10 GeV)¹/³ cm²s⁻¹，对西部源的观测伽马射线能谱进行拟合。
• 评估两种极限情景：7000 yr的SNR年龄在低密度ISM（1 cm⁻³）中，或10⁵ yr年龄在高密度云（280 cm⁻³）中，调整ηp和χ以拟合数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 SNR G045.7−00.4附近的扩展GeV伽马射线发射是否与从SNR逃逸的宇宙射线和分子云的相互作用一致？
• RQ2 为解释西部源观测到的伽马射线通量，逃逸宇宙射线所需的总能量预算是多少？
• RQ3 SNR的年龄与扩散系数如何影响逃逸宇宙射线模型与观测的一致性？
• RQ4 西部源的伽马射线发射是否可通过pp相互作用解释，而无需引入新的高能粒子源？

主要发现

• GeV发射显著超出射电SNR范围，包含两个明显成分：一个与SNR对齐（源E），另一个位于其西侧（源W）。
• CO巡天显示，源W与周围分子云最致密区域在空间上重合。
• 源W的伽马射线能谱可由逃逸宇宙射线的pp相互作用一致解释，所需逃逸质子总能量预算约为10⁵⁰ erg。
• 两种合理情景均可拟合数据：7000 yr SNR位于低密度ISM中（ηp = 0.06，χ = 1），或10⁵ yr SNR位于致密云中（ηp = 0.1，χ = 0.1），两者均给出一致的通量。
• 在10 GeV能量下，扩散系数估计在1×10²⁷至10×10²⁷ cm²s⁻¹之间，具体取决于假设的SNR年龄与环境。
• LHAASO的灵敏度表明，若宇宙射线谱延伸至约1 PeV，该源可能在TeV能量下可探测，但角分辨率可能限制源的分离。