[论文解读] Large-Scale Diffuse Intergalactic Magnetic Fields Constraints with the Cherenkov Telescope Array

Paramita Barai, E. M. de Gouveia Dal Pino|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出利用切伦科夫望远镜阵列（CTA）通过遥远耀变体的伽马射线观测探测弥漫的星际磁场（IGMF）。高能光子在星系际介质中产生电子-正电子对，其在IGMF作用下的偏转形成扩展的GeV辐射（对偶晕），CTA的增强灵敏度可探测到该信号，从而设定出 $ B_{\text{IGM}} \gtrsim 10^{-16} \, \text{G} $ 的下限，填充因子为60%。

ABSTRACT

Magnetic fields of the order of $μ$-Gauss are observationally detected in galaxies and galaxy clusters, which can be (at least) in part originated by the amplification of much weaker primordial seed fields. These fields should be carried out by strong galactic outflows, magnetically enriching the InterGalactic Medium (IGM). However direct observation of magnetic fields in the IGM is scarce. This talk will give a review of how Intergalactic Magnetic Field (IGMF) can be constrained using gamma-ray observations. High-energy TeV photons emitted by distant blazars can interact with the cosmic extragalactic optical/infrared/microwave background light, producing electron-positron pairs, and initiating electromagnetic cascades in the IGM. The charged component of these cascades is deflected by IGMFs, thereby reducing the observed point-like TeV flux, and creating an extended image in the GeV energy range, which can potentially be detected with $γ$-ray telescopes (Fermi-LAT, HESS, CTA). Studies (e.g., Neronov & Vovk 2010, Dolag et al. 2011) have put lower limits on the IGMF strength of the order of $10^{-16} - 10^{-15} G$, and filling factors of $60\%$. This talk will describe the constraints which the Cherenkov Telescope Array sensitivity is expected to give (CTA Consortium 2018).

研究动机与目标

• 利用高能伽马射线观测约束大尺度弥漫星际磁场（IGMF）的强度与空间填充因子。
• 评估切伦科夫望远镜阵列（CTA）探测由星系际介质中VHE光子引发的电磁级联所产生的次级GeV伽马射线发射（对偶晕）的灵敏度。
• 通过利用CTA在100 GeV–10 TeV能量范围内的优越角分辨率、能量分辨率和灵敏度，改进当前对IGMF的下限约束。
• 评估对偶晕与对偶回波作为TeV光子从遥远耀变体出发、在级联过程中电子-正电子对受IGMF偏转的信号的可探测性。

提出的方法

• 使用蒙特卡洛方法模拟三维电磁级联，建模VHE光子与星系际背景光（EBL）相互作用产生的对产生过程。
• 追踪二级电子-正电子对在IGMF作用下的偏转，该过程改变了二级GeV光子的角分布，形成空间扩展的对偶晕。
• 基于理论微分角分布，估算位于120 Mpc处的耀变体在 $ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ 条件下的对偶晕发射预期通量。
• 将模拟的对偶晕通量与CTA在南北两个站点的灵敏度曲线进行比较，评估在0.1–5 TeV能量范围内的可探测性。
• 使用时间分辨谱分析方法，搜索当IGMF低于 $ 10^{-16} \, \text{G} $ 时可能出现的对偶回波——延迟的GeV发射。
• 应用贝叶斯统计方法对多个耀变体（例如24个红移 $ z < 0.5 $ 的耀变体）进行堆叠分析，从次级成分的非探测结果中推断IGMF约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 切伦科夫望远镜阵列能否探测到在星际磁场存在下，由VHE光子引发的电磁级联所产生的空间扩展GeV辐射（对偶晕）？
• RQ2 从Fermi-LAT和HESS数据中对次级GeV辐射的非探测结果，可以推导出IGMF强度与填充因子的哪些下限？
• RQ3 与HESS和MAGIC等现有仪器相比，CTA提升的灵敏度与角分辨率如何增强对偶晕的可探测性？
• RQ4 对于位于120 Mpc处、$ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ 的耀变体，对偶晕发射的预期通量是多少？CTA能否分辨该信号？
• RQ5 能否观测到对偶回波——即弱IGMF作用下延迟的GeV发射——作为其信号？需要多高的探测灵敏度？

主要发现

• CTA预计可在0.1–5 TeV能量范围内探测到电磁级联产生的对偶晕辐射，其灵敏度足以观测到距离120 Mpc处、$ B_{\text{IGM}} = 10^{-14} \, \text{G} $ 的耀变体的对偶晕。
• CTA南（I）和北（NB）站点的灵敏度曲线均超过模拟的对偶晕通量，表明其具有很高的可探测潜力。
• 当前Fermi-LAT与HESS数据中对次级GeV辐射的非探测结果表明，$ B_{\text{IGM}} \gtrsim 3 \times 10^{-16} \, \text{G} $ 为下限，与早期研究结果一致。
• 利用Fermi-LAT数据对24个低红移耀变体（$ z < 0.5 $）进行堆叠分析，结果表明 $ B_{\text{IGM}} \sim 10^{-17} - 10^{-15} \, \text{G} $，贝叶斯统计支持IGMF非零。
• 基于Dolag等人（2011）的研究，IGMF填充因子在 $ 10^{-16} - 10^{-15} \, \text{G} $ 以上磁场强度下至少为60%。
• CTA的灵敏度提升5–10倍（优于HESS/MAGIC），且视场更广（$ >1.5^\circ $），使其在分辨扩展对偶晕结构方面具有独特优势。