[论文解读] Galactic diffuse gamma-ray emission from GeV to PeV energies in light of up-to-date cosmic ray measurements

Rui Zhang, Xiaoyuan Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 5

一句话总结

本研究利用更新的宇宙射线能谱以及费米-LAT（1–500 GeV）与LHAASO（10–1000 TeV）的联合数据，重新评估了银河系弥散伽马射线辐射在GeV至PeV能段的特性。研究发现，在数GeV至约60 TeV的能量区间内存在显著的弥散辐射过剩，最合理的解释是引入一个额外的指数截断幂律（ECPL）谱成分，其能谱指数为-2.40，截断能量约为30 TeV，这一发现对标准宇宙射线传播模型提出了挑战。

ABSTRACT

The diffuse gamma-ray emission between 10 and 1000 TeV from the Galactic plane was recently measured by the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). These observations will help tremendously in constraining the propagation and interaction of cosmic rays in the Milky Way. Additionally, new measurements of CR spectra reach a very high precision up to 100 TeV energies, revealing multiple spectral structures of various species. In this work, we confront the model prediction of the diffuse gamma-ray emission, based on up-to-date measurements of the local cosmic ray spectra and simplified propagation setup, with the measurements of diffuse gamma-rays. To better constrain the low-energy part of the model, we analyze the 14.6 years of Fermi-LAT data to extract the Galactic diffuse emission between 1 and 500 GeV from the same sky regions of LHAASO, after subtracting the contribution from known sources and the isotropic diffuse gamma-ray background. The joint Fermi-LAT and LHAASO spectra thus cover a very wide energy range from 1 GeV to 1 PeV with small gaps from 0.5 to 10 TeV. Compared with the prediction, we find that clear excesses between several GeV and ~60 TeV of the diffuse emission exist. Possible reasons to explain the excesses may include unresolved sources or more complicated propagation models. We illustrate that an exponential-cutoff-power-law component with an index of -2.40 and cutoff energy of ~30 TeV is able to account for such excesses.

研究动机与目标

• 利用宽能区间的最新本地宇宙射线能谱，约束银河系宇宙射线传播与注入过程。
• 将弥散伽马射线辐射的模型预测与费米-LAT和LHAASO提供的高精度新测量结果相协调。
• 探究在数GeV至约60 TeV之间未解释的弥散伽马射线通量过剩的起源。
• 评估源遮蔽、传播模型简化，以及截面和气体分布不确定性对模型预测的影响。

提出的方法

• 采用具有再加速和对流效应的各向异性、单区、均匀且各向同性的扩散模型来模拟宇宙射线传播。
• 通过拟合最新的一级和二级宇宙射线谱测量数据（包括电子和正电子）来调整宇宙射线注入与传播参数。
• 对费米-LAT 14.6年数据进行重新处理，以提取与LHAASO相同天区的银河系弥散伽马射线辐射（1–500 GeV），方法为减去已知源和各向同性背景。
• 将模型预测的弥散伽马射线辐射与1 GeV至1 PeV范围内费米-LAT与LHAASO的联合数据进行比较，能量区间在0.5至10 TeV之间存在小间隙。
• 引入指数截断幂律（ECPL）成分以解释过剩通量，其能谱指数与截断能量通过数据拟合确定。
• 评估气体分布、强子截面和源遮蔽等不确定性对结果的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准宇宙射线传播模型在数GeV至约60 TeV区间内显著低估了弥散伽马射线通量？
• RQ2 是否可通过引入一个额外的谱成分来解释传统模型未能捕捉到的GeV–TeV能段观测过剩？
• RQ3 LHAASO与费米-LAT中源遮蔽策略如何影响弥散辐射测量的可靠性？
• RQ4 强子截面和气体分布的不确定性在多大程度上影响了模型在高能区的预测能力？
• RQ5 IceCube中微子的多信使约束如何为伽马射线过剩的解释提供启示？

主要发现

• 在数GeV至约60 TeV区间，模型显著低估了弥散伽马射线通量，表明与标准传播假设存在明显偏差。
• 具有能谱指数-2.40和截断能量约30 TeV的指数截断幂律（ECPL）成分能很好地拟合观测到的过剩。
• LHAASO数据，特别是来自银道面外侧区域的数据，对宇宙射线的空间分布及其传播提供了强有力的约束。
• LHAASO中的源遮蔽可能移除了大量真实的弥散辐射，尤其是在银道面附近，可能对模型比较造成偏差。
• 当前的一区、各向同性扩散模型可能过于简化；具有空间依赖性或各向异性的传播模型或能更好地解释数据。
• 强子截面和气体分布的不确定性仍是实现PeV能区精确预测的主要限制因素。