[论文解读] Multi-messenger Implications of Sub-PeV Diffuse Galactic Gamma-Ray Emission

Ke Fang, Kohta Murase|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 88被引用 47

一句话总结

本文利用西藏ASγ实验测量的亚佩V伽马射线数据推导出银河系弥漫中微子通量，考虑了伽马射线的衰减及宇宙射线的不确定性。结果表明，在100 TeV能量下，银河系中微子对全天中微子通量的贡献不超过5–10%；未来望远镜如IceCube-Gen2和KM3Net有望探测到这一组分，从而为亚佩V宇宙射线的起源及银河系内多信使关联提供关键见解。

ABSTRACT

The diffuse Galactic gamma-ray flux between 0.1 and 1 PeV has recently been measured by the Tibet AS$\gamma$ Collaboration. The flux and spectrum are consistent with the decay of neutral pions from hadronuclear interactions between Galactic cosmic rays and the interstellar medium (ISM). We derive the flux of the Galactic diffuse neutrino emission from the same interaction process that produces the gamma rays. Our calculation accounts for the effect of gamma-ray attenuation inside the Milky Way and uncertainties due to the spectrum and distribution of cosmic rays, gas density, and infrared emission of the ISM. We find that the contribution from the Galactic plane to the all-sky neutrino flux is $\lesssim5-10\%$ around 100 TeV. The Galactic and extragalactic neutrino intensities are comparable in the Galactic plane region. Our results are consistent with the upper limit reported by the IceCube and ANTARES Collaborations, and predict that next-generation neutrino experiments may observe the Galactic component. We also show that the Tibet AS$\gamma$ data imply either an additional component in the cosmic-ray nucleon spectrum or contribution from discrete sources, including Pevatrons such as superbubbles and hypernova remnants, and PeV electron accelerators. Future multi-messenger observations between 1 TeV and 1 PeV are crucial to decomposing the origin of sub-PeV gamma rays.

研究动机与目标

• 确定由西藏ASγ实验近期测量的亚佩V伽马射线数据所暗示的弥漫银河系中微子通量。
• 评估银河系平面在100 TeV附近对全天中微子通量的贡献。
• 评估下一代中微子望远镜（如IceCube-Gen2和KM3Net）探测银河系中微子的可能性。
• 研究观测到的伽马射线发射是否暗示宇宙射线谱中存在额外组分，或来自离散源（如佩瓦特隆或佩V电子加速器）的贡献。

提出的方法

• 采用强子相互作用模型，其中π介子衰变同时产生伽马射线和中微子，并应用关系式 E²ν dNν/dEν ≈ (3/2) × (E²γ dNγ/dEγ)|Eν=Eγ/2 来关联伽马射线与中微子能谱。
• 考虑了沿视线方向由于与星际辐射场（包括CMB和红外尘埃辐射）的对产生作用导致的伽马射线衰减。
• 在银河系中心周围以圆柱对称方式建模宇宙射线和气体密度分布，并使用银道坐标系进行计算。
• 应用光学深度公式 τγγ(Eγ, x₀, xₒb) = ∫ ds λ⁻¹γγ(Eγ, ŝ, x₀ + sŝ) 计算高能伽马射线的存活概率。
• 通过在源区积分并考虑衰减效应和宇宙射线谱不确定性，求解弥漫中微子强度。
• 考虑多种宇宙射线模型和源分布，以评估中微子通量预测中的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与西藏ASγ实验观测到的亚佩V弥漫伽马射线发射相对应的预期弥漫银河系中微子通量是多少？
• RQ2 银河系内伽马射线衰减如何影响由强子相互作用推断出的中微子通量？
• RQ3 在100 TeV能量下，银河系平面在总全天中微子通量中占多大比例？与河外组分相比如何？
• RQ4 下一代中微子望远镜（如IceCube-Gen2和KM3Net）能否探测到预测的银河系中微子组分？
• RQ5 西藏ASγ数据对银河系内未分辨的佩瓦特隆或佩V电子加速器的存在有何暗示？

主要发现

• 在100 TeV能量下，银河系平面方向的弥漫银河系中微子通量估计为 ≤(3–6)×10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹，与当前IceCube和ANTARES的上限一致。
• 在100 TeV能量下，银河系对全天中微子通量的贡献不超过5–10%，且在银河系平面区域，银河系与河外强度相当。
• 下一代中微子望远镜如IceCube-Gen2和KM3Net预计分别具有约3×10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹和(3–6)×10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹的灵敏度，足以探测到预测的银河系组分。
• 西藏ASγ数据表明，宇宙射线核子谱中可能存在额外组分，或存在来自离散源（如佩瓦特隆，例如超新星遗迹或超新星遗迹）或佩V电子加速器的贡献。
• 在亚佩V能量范围观测到的约2.53的谱指数支持低于100 TeV的中微子具有银河系起源，尽管河外贡献仍占主导地位。
• 数据与一种情景一致：未分辨的佩瓦特隆或轻子源（如3 PeV电子的逆康普顿辐射）可解释高能伽马射线发射，凸显了未来多信使观测的必要性。