[论文解读] Galactic diffuse gamma rays meet the PeV frontier

Pedro De la Torre Luque, Daniele Gaggero+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本文提出，银河系平面观测到的PeV量级弥散伽马射线辐射源自宇宙射线在星际介质中的相互作用，采用具有空间变化扩散特性的高分辨率宇宙射线输运模型。研究证明，非均匀输运情景能够一致地重现西藏AS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ和Fermi-LAT在多个能量 band中的数据，支持具有径向和能量依赖扩散的模型，而非标准的均匀模型。

ABSTRACT

The Tibet AS$γ$ and LHAASO collaborations recently reported the observation of a $γ$-ray diffuse emission with energy up to the PeV from the Galactic plane. We discuss the relevance of non-uniform cosmic-ray transport scenarios and the implications of these results for cosmic-ray physics. We use the { t DRAGON} and { t HERMES} codes to build high-resolution maps and spectral distributions of that emission for several representative models under the condition that they reproduce a wide set of local cosmic-ray data up to 100 PeV. We show that the energy spectra measured by Tibet AS$γ$, LHAASO, ARGO-YBJ and Fermi-LAT in several regions of interest in the sky can all be consistently described in terms of the emission arising by the Galactic cosmic-ray "sea". We also show that all our models are compatible with IceTop $γ$-ray upper limits. Our results favor transport models characterized by spatial-dependent diffusion although some degeneracy remains between the choice of the transport scenario and that of the cosmic-ray spectral shape above 10 TeV. We discuss the role of forthcoming measurements in resolving that ambiguity.

研究动机与目标

• 探究最近观测到的银河系平面PeV量级弥散伽马射线辐射是否可由宇宙射线在星际介质中的相互作用解释。
• 评估非均匀宇宙射线输运情景（尤其是空间依赖扩散）在重现高能伽马射线数据中的作用。
• 检验这些模型与IceTop及其他实验现有约束的一致性。
• 提供高分辨率全天弥散伽马射线发射图，作为未来天体物理分析中背景模型的用途。
• 探讨宇宙射线传播引起的弥散发射与未分辨源贡献之间的退化关系，并提出利用未来数据区分二者的方法。

提出的方法

• 利用DRAGON和HERMES代码模拟银河系范围内高分辨率的弥散伽马射线发射图谱和能谱分布。
• 构建具有空间依赖扩散系数的模型，以考虑宇宙射线传播中内银河系区域的径向变化。
• 校准模型以重现高达100 PeV的本地宇宙射线数据，包括AMS、PAMELA、CREAM和DAMPE的测量结果。
• 采用“环形模型”处理HI和H2分布的星际气体和辐射场，并对强子相互作用进行一致处理。
• 将模型预测与Fermi-LAT、西藏AS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ和IceTop的观测结果进行比较，确保与上限一致。
• 公开发布高分辨率全天图（https://github.com/tospines/Gamma-variable_High-resolution），用于源星表编制和暗物质搜寻。

实验结果

研究问题

• RQ1 非均匀宇宙射线输运模型能否解释西藏AS$γ$和LHAASO观测到的PeV量级弥散伽马射线辐射？
• RQ2 真正弥散发射与未分辨源对观测到的PeV伽马射线通量的相对贡献是多少？
• RQ3 空间变化的扩散参数如何影响模型在不同银河系区域中与多仪器伽马射线数据的一致性？
• RQ4 在10 TeV以上能量区域，输运模型选择与高能宇宙射线能谱形状之间存在多大程度的退化？
• RQ5 未来测量（尤其是中微子观测站的测量）如何有助于区分弥散发射与未分辨源情景？

主要发现

• 西藏AS$γ$、LHAASO、ARGO-YBJ和Fermi-LAT在多个兴趣区域观测到的伽马射线能谱，均可由同一潜在的宇宙射线相互作用引起的弥散发射机制一致描述。
• 具有空间依赖扩散的模型在解释高能数据方面显著优于标准均匀输运模型，尤其在低银经区域表现更优。
• 模型与IceTop对高能伽马射线的上限保持一致，表明与大气背景约束之间无显著矛盾。
• 在10 TeV以上能量区域，输运情景与高能宇宙射线能谱形状之间仍存在退化，凸显了未来数据对解决此模糊性的必要性。
• 本研究提供了从GeV到PeV能量范围的高分辨率全天弥散伽马射线发射图，可作为未来分析中宝贵的背景模型。
• 若未来能明确探测到与银河系平面相关的弥散中微子通量，将强烈支持所提出的强子性弥散发射情景，而非主导的未分辨源贡献。