[论文解读] Gamma-ray detection toward the Coma cluster with Fermi-LAT: Implications for the cosmic ray content in the hadronic scenario

R. Adam, Hazal Goksu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 85被引用 3

一句话总结

本研究利用费米-LAT数据确认了室女座星系团中弥漫伽马射线辐射的存在，将其建模为星系团内介质中强子质子-质子碰撞产生的π介子衰变。该研究首次对星系团中宇宙射线质子含量提供了定量约束——在R500半径内，XCRp = 1.79+1.11−0.30%；并表明仅靠次级电子无法解释观测到的射电辐射，需额外的电子种群或再加速机制。

ABSTRACT

The presence of relativistic electrons within the diffuse gas phase of galaxy clusters is now well established, but their detailed origin remains unclear. Cosmic ray protons are also expected to accumulate during the formation of clusters and would lead to gamma-ray emission through hadronic interactions within the thermal gas. Recently, the detection of gamma-ray emission has been reported toward the Coma cluster with Fermi-LAT. Assuming that this gamma-ray emission arises from hadronic interactions in the ICM, we aim at exploring the implication of this signal on the cosmic ray content of the Coma cluster. We use the MINOT software to build a physical model of the cluster and apply it to the Fermi-LAT data. We also consider contamination from compact sources and the impact of various systematic effects. We confirm that a significant gamma-ray signal is observed within the characteristic radius $ heta_{500}$ of the Coma cluster, with a test statistic TS~27 for our baseline model. The presence of a possible point source may account for most of the observed signal. However, this source could also correspond to the peak of the diffuse emission of the cluster itself and extended models match the data better. We constrain the cosmic ray to thermal energy ratio within $R_{500}$ to $X_{ m CRp}=1.79^{+1.11}_{-0.30}$\% and the slope of the energy spectrum of cosmic rays to $\alpha=2.80^{+0.67}_{-0.13}$. Finally, we compute the synchrotron emission associated with the secondary electrons produced in hadronic interactions assuming steady state. This emission is about four times lower than the overall observed radio signal, so that primary cosmic ray electrons or reacceleration of secondary electrons is necessary to explain the total emission. Assuming an hadronic origin of the signal, our results provide the first quantitative measurement of the cosmic ray proton content in a cluster.[Abridged]

研究动机与目标

• 研究费米-LAT探测到的室女座星系团方向弥漫伽马射线辐射的起源。
• 确定该辐射是否源于星系团内介质（ICM）中的强子相互作用，或来自点源。
• 在强子模型假设下，量化室女座星系团中宇宙射线质子的含量。
• 评估次级电子种群的含义及其在解释观测射电辐射中的作用。
• 评估当前及未来观测平台对星系团中弥漫强子伽马射线辐射的可探测性。

提出的方法

• 使用MINOT软件对室女座星系团建模，包含热气体、磁场及宇宙射线。
• 采用费米-LAT数据的分箱似然分析，结合ROSAT X射线与普朗克tSZ观测的约束。
• 从X射线、tSZ、射电及星系密度图构建2D空间模板，以建模宇宙射线质子分布。
• 包含一个点源（4FGL J1256.9+2736），并通过测试扩展源发射模型评估参数退化问题。
• 计算稳态强子相互作用中次级电子产生的同步辐射。
• 应用MCMC采样以约束宇宙射线质子归一化与谱指数。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的室女座星系团方向伽马射线辐射是否与星系团内介质中的强子相互作用一致？
• RQ2 该信号在多大程度上可归因于点源而非弥漫星系团辐射？
• RQ3 室女座星系团中宇宙射线质子能量密度相对于热能的比例如何？
• RQ4 强子相互作用中产生的次级电子能否解释观测到的射电辐射？
• RQ5 在解释完整射电信号时，再加速机制或原初电子种群有何影响？

主要发现

• 在室女座星系团方向探测到弥漫伽马射线信号，检验统计量TS ≃ 27，显著性约5.2σ，支持其起源于ICM的物理解释。
• 在R500范围内，宇宙射线与热能之比被约束为XCRp = 1.79+1.11−0.30%，表明宇宙射线质子储存了约1.79%的热能。
• 宇宙射线质子谱指数为α = 2.80+0.67−0.13，比通常假设的更硬，可能暗示在较弱激波中加速。
• 稳态强子模型中次级电子产生的同步辐射仅占观测射电辐射的约25%，排除了纯强子起源解释射电 halo 的可能性。
• 必须存在显著的原初宇宙射线电子贡献或次级电子的再加速，且再加速效率随半径增加，取决于CRp分布。
• 结果表明，星系团中弥漫强子伽马射线辐射在TeV能量段可能比以往认为的更微弱，对未来的地基望远镜（如切伦科夫望远镜阵列）探测此类辐射构成挑战。