[论文解读] Local H~{\sc i} emissivity measured with the {\it Fermi}-LAT and implications for cosmic-ray spectra

J. M. Casandjian|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用4年费米-LAT数据，在10° < |b| < 70°范围内测量了局部H i的伽马射线发射率，采用基于H i、分子氢、电离氢和尘埃模板的模板拟合方法。研究发现，仅当考虑太阳调制效应时，观测到的发射率才与理论预测一致，从而提供了太阳调制的直接证据，并实现了从1至100 GeV/核子的质子、氦以及电子-正电子局部星际谱的一致推导。

ABSTRACT

Cosmic-ray (CR) electrons and nuclei interact with the Galactic interstellar gas and produce high-energy $γ$ rays. The $γ$-ray emission rate per hydrogen atom, called emissivity, provides a unique indirect probe of the CR flux. We present the measurement and the interpretation of the emissivity in the solar neighborhood for $γ$-ray energy from 50~MeV to 50~GeV. We analyzed a subset of 4 years of observations from the Large Area Telescope (LAT) aboard the {\it Fermi Gamma-ray Space Telescope} ({\it Fermi}) restricted to absolute latitudes $10^o

研究动机与目标

• 利用费米-LAT数据测量50 MeV至50 GeV能量范围内局部H i的伽马射线发射率。
• 从伽马射线发射模板中确定分子氢与CO的转换因子X_CO以及尘埃与气体比值X_DUST。
• 检验在考虑太阳调制的情况下，观测到的发射率是否与日球层中测量的宇宙射线谱一致。
• 通过将参数化谱形拟合至LAT发射率和日球层数据，推导出质子、氦以及电子-正电子的局部星际谱（LIS）。
• 评估发射率测量中的系统不确定性，并验证太阳调制的力场近似方法。

提出的方法

• 对费米-LAT计数图应用模板拟合方法，使用原子H i、分子H2、电离氢（WIM）以及尘埃光学厚度的空间模板。
• 分析使用了4年LAT数据，限制在|b| > 10°，以最小化银道面污染并聚焦于太阳邻近区域。
• 将模板的线性组合拟合至观测到的伽马射线发射，其中已减去逆康普顿散射和残余点源的贡献。
• 按每个氢原子计算发射率，并通过伽马射线产额截面引入能量依赖性修正。
• 通过力场近似建模太阳调制，并将PAMELA和ATIC-2的日球层宇宙射线通量作为输入用于比较。
• 将参数化谱形拟合至LAT发射率和日球层数据，以推导出局部星际谱（LIS）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑太阳调制时，测量得到的局部H i伽马射线发射率是否与基于日球层宇宙射线谱的预测一致？
• RQ2 从伽马射线发射推导出的太阳邻近区域分子氢与CO转换因子X_CO的值是多少？
• RQ3 发射率在不同星际介质组分（原子态、分子态、电离态、暗中性介质）中如何变化？
• RQ4 能否从LAT发射率和日球层测量中推导出质子、氦以及电子-正电子的统一局部星际谱（LIS）？
• RQ5 与观测到的发射率和日球层通量一致的推断太阳调制势能是多少？

主要发现

• 测量得到的局部H i伽马射线发射率为(1.63 ± 0.05) × 10⁻²⁶ ph s⁻¹ sr⁻¹ atom⁻¹，能量高于100 MeV，与以往LAT测量结果一致。
• 测得的分子氢与CO转换因子为X_CO = (0.902 ± 0.007) × 10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹，与标准值一致。
• 确定的尘埃与气体比值为X_DUST = (41.4 ± 0.3) × 10²⁰ cm⁻² mag⁻¹，表明尘埃与气体之间存在紧密相关性。
• 首次探测到电离氢（WIM）的伽马射线发射，其形态与NE2001预测不一致。
• 仅当对日球层宇宙射线通量进行太阳调制修正时，观测到的发射率才与理论预测一致，从而通过间接测量证实了太阳调制的存在。
• 成功推导出1至100 GeV/nucleon能量范围内质子、氦以及电子-正电子的统一局部星际谱（LIS），其谱指数在1σ不确定度内与幂律形式兼容。