[论文解读] Implications of Cosmological Gamma-Ray Absorption II. Modification of gamma-ray spectra

T. Kneiske, T. Bretz+2 more|ArXiv.org|Sep 4, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 38被引用 223

一句话总结

本文通过宇宙射线对撞产生的正负电子对过程，建模了宇宙射线在宇宙辐射场（MRF）中的吸收，利用红移相关的恒星形成率和紫外逃逸分数预测了光谱衰减。研究结果表明，观测到的TeV耀变体光谱（尤其是Mkn 501、Mkn 421和H1426+428）暗示存在强烈的红外MRF组分，并验证了Fazio-Stecker关系作为探测高红移星系演化和MRF组分的诊断工具的有效性。

ABSTRACT

Bearing on the model for the time-dependent metagalactic radiation field developed in the first paper of this series, we compute the gamma-ray attenuation due to pair production in photon-photon scattering. Emphasis is on the effects of varying the star formation rate and the fraction of UV radiation assumed to escape from the star forming regions, the latter being important mainly for high-redshift sources. Conversely, we investigate how the metagalactic radiation field can be measured from the gamma-ray pair creation cutoff as a function of redshift, the Fazio-Stecker relation. For three observed TeV-blazars (Mkn501, Mkn421, H1426+428) we study the effects of gamma-ray attenuation on their spectra in detail.

研究动机与目标

• 通过光学/紫外部分的前向演化和红外部分的后向演化，建立时间依赖的宇宙辐射场（MRF）模型。
• 评估恒星形成率和紫外逃逸分数的不确定性对星际空间中伽马射线衰减的影响。
• 测试Fazio-Stecker关系作为从高红移耀变体观测到的伽马射线截止能量推断MRF的方法。
• 通过校正宇宙学对电子对产生引起的吸收，确定三个TeV耀变体（Mkn 501、Mkn 421、H1426+428）的本征光谱。
• 评估伽马射线吸收对宇宙学参数和高红移（z > 0.2）下MRF模型变化的敏感性。

提出的方法

• 基于恒星形成历史和紫外逃逸分数，采用半经验的前向演化模型，构建光学至紫外波段的MRF。
• 基于深度星系巡天数据，采用后向演化的红外MRF模型，以约束尘埃遮蔽星系的贡献。
• 利用Klein-Nishina公式计算光子-光子散射中的电子对产生截面，进而计算伽马射线光学深度。
• 应用Fazio-Stecker关系，将观测到的伽马射线截止能量与MRF柱密度关联，实现对MRF的间接测量。
• 将宇宙学参数固定为ΛCDM模型值：Ωm = 0.3，ΩΛ = 0.7，h = 0.65，以与当前宇宙学一致。
• 测试五组MRF参数（最佳拟合、温尘、低红外、低SFR、星族UV、高星族UV），以涵盖MRF形状和归一化不确定性的范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成率和紫外逃逸分数的变化如何影响星际介质中伽马射线的衰减？
• RQ2 在多大程度上可以利用Fazio-Stecker关系，从观测到的TeV耀变体光谱推断宇宙辐射场？
• RQ3 Mkn 501、Mkn 421和H1426+428的观测光谱对MRF的红外和紫外组分施加了何种约束？
• RQ4 在高红移（z > 1）下，伽马射线吸收对紫外MRF组分的敏感性如何变化？
• RQ5 Fazio-Stecker关系能否用于探测标准MRF模型的偏离，例如增强的远红外发射或非恒星紫外光源？

主要发现

• 对于红移z > 0.2的源，伽马射线衰减在300 GeV以上变得显著，与高红移TeV源未被探测到的现象一致。
• Mkn 501和Mkn 421在约6–18 TeV处的观测光谱转折，与宇宙学对电子对产生一致，而非源于源本身的本征效应。
• Fazio-Stecker关系表明，需红移z < 0.02的源才能探测波长>10 μm的MRF，因为当前数据受限于更高能量。
• 在高红移（z > 1）下，Fazio-Stecker关系对红外光子密度不敏感，但仍对紫外组分敏感，尤其在高紫外逃逸情景下。
• 低SFR模型会减少伽马射线吸收，但当前观测更支持高红移处恒星形成率呈平台或缓升趋势，导致吸收强于低SFR假设下的结果。
• 若探测阈值低于50 GeV（例如MAGIC或ECO-1000），将可探测Fazio-Stecker关系的渐近分支，从而对MRF施加更严格的约束。