[论文解读] Gamma-ray halo around the M31 galaxy as seen by the Fermi LAT

М. С. Пширков, V. V. Vasiliev+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用7年Fermi LAT数据，报告了在M31星系周围发现一个延伸的伽马射线辐射晕，显著性达4.7σ，最佳拟合半径为0.9°（12 kpc），在0.3–100 GeV能量范围内，辐射通量为(3.2±1.0)×10⁻⁹ cm⁻²s⁻¹，光度为(4.0±1.5)×10³⁸ erg s⁻¹。该信号被解释为宇宙射线与磁化热晕气体相互作用产生的逆康普顿辐射或π介子衰变辐射，暗示M31周围10 kpc范围内存在磁场强度超过100 nG的磁场。

ABSTRACT

Theories of galaxy formation predict the existence of extended gas halo around spiral galaxies. If there are 10-100 nG magnetic fields at several ten kpc distances from the galaxies, extended galactic cosmic ray (CR) haloes could also exist. Galactic CRs can interact with the tenuous hot halo gas to produce observable gamma-rays. We have performed search for a gamma-ray halo around the M31 galaxy -- the closest large spiral galaxy. Our analysis of almost 7 years of the Fermi LAT data revealed the presence of a spatially extended diffuse emission excess around M31. The data can be fitted using the simplest morphology of a uniformly bright circle. The best fit gave a 4.7$σ$ significance for a $0.9^{\circ}$ (12 kpc) halo with a photon flux of $\sim (3.2\pm1.0) imes 10^{-9} ~\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}$ and a luminosity of $(4.0\pm1.5) imes 10^{38} ~\mathrm{erg~s^{-1}}$ in the energy range 0.3--100 GeV. Our results also imply a low level of the flux from the disc of the M31 galaxy $(3.3 \pm 1.0) imes 10^{-10}~\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}$. The corresponding gamma-ray luminosity, $5 imes10^{37} ~\mathrm{erg~s^{-1}}$ is several times smaller than the luminosity of the Milky Way. This difference could be explained by a lower star formation rate in M31: there are less CRs and the level of the ISM turbulence is lower, which in turn leads to a shorter time of CR containment.

研究动机与目标

• 搜索M31周围宇宙射线晕产生的延伸伽马射线辐射，M31是距离最近的大质量螺旋星系。
• 检验理论预测：宇宙射线可在磁化星系晕中被束缚，通过与热晕气体相互作用产生可探测的伽马射线辐射。
• 将M31的伽马射线光度与银河系进行比较，以推断宇宙射线产生与束缚的差异。

提出的方法

• 分析81个月（近7年）的Fermi LAT数据，使用PASS8_V2事件重建方法和v10r0p5软件。
• 选择能量>300 MeV且天顶角<100°的事件，以减少背景并提高角分辨率。
• 以M31为中心，采用半径为10°的圆形感兴趣区域，隔离信号，并将发射模型化为均匀明亮的圆盘。
• 通过检验统计量（TS）图并对比包含晕源的模拟数据，评估统计显著性。
• 将观测到的辐射与M31盘面（使用IRAS数据）和假设性晕的模板进行比较，以分离出延伸信号。
• 使用简单晕模型拟合数据，推导通量、光度和显著性，同时考虑来自盘面或点源的潜在污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在与宇宙射线晕在磁化热晕气体中相互作用一致的空间延伸伽马射线辐射，围绕M31？
• RQ2 Fermi LAT检测到的此类延伸辐射的显著性和形态如何？
• RQ3 M31的伽马射线光度与银河系相比如何？这对我们理解宇宙射线产生与束缚有何启示？
• RQ4 观测到的过量是否可能源于仪器效应、源混淆或统计涨落，而非真实晕结构？
• RQ5 基于观测到的伽马射线信号，为使宇宙射线在距离M31 10 kpc范围内被束缚，所需磁场强度是多少？

主要发现

• 在M31周围检测到空间延伸的伽马射线辐射过量，显著性为4.7σ，最佳描述为半径0.9°（12 kpc）的均匀明亮圆形晕。
• 在0.3–100 GeV能量范围内，该晕的光子通量测量值为(3.2±1.0)×10⁻⁹ cm⁻²s⁻¹。
• 该晕的伽马射线光度为(4.0±1.5)×10³⁸ erg s⁻¹，与磁化热晕气体中宇宙射线相互作用一致。
• M31盘面的伽马射线通量较低，为(3.3±1.0)×10⁻¹⁰ cm⁻²s⁻¹，对应光度5×10³⁷ erg s⁻¹，比银河系盘面光度低数倍。
• M31光度较低归因于恒星形成率较低及星际介质湍流减弱，导致宇宙射线束缚时间更短。
• 该检测结果暗示M31周围存在磁场强度>100 nG的磁场，至少延伸至10 kpc，支持存在与银河系推断类似的宇宙射线晕。