[论文解读] Multi-wavelength emission from leptonic processes in ageing galaxy bubbles

Ellis R. Owen, Hsiang-Yi Karen Yang|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 100被引用 5

一句话总结

本研究利用三维磁流体动力学模拟，对银河系类星系中由0.3 Myr爆发事件驱动的轻子型星系泡状结构的演化进行建模，并后处理计算多波段辐射。结果表明，由于逆康普顿冷却，TeV伽马射线辐射在约1 Myr后迅速衰减，而射电同步辐射则持续存在并在更长时间尺度上保持可探测性，因此与高能伽马射线观测相比，使用平方公里阵列（SKA）等仪器进行射电巡天在探测更老、更遥远的泡状结构方面更为有效。

ABSTRACT

The evolutionary behavior and multi-wavelength emission properties of bubbles around galaxies, such as the extit{Fermi} bubbles of the Milky Way, is unsettled. We perform 3D magnetohydrodynamical simulations to investigate the evolution of leptonic galaxy bubbles driven by a 0.3 Myr intense explosive outburst from the nucleus of Milky Way-like galaxies. Adopting an ageing model for their leptonic cosmic rays, we post-process our simulations to compute the multi-wavelength emission properties of these bubbles. We calculate the resulting spectra emitted from the bubbles from radio frequencies to $\gamma$-rays, and construct emission maps in four energy bands to show the development of the spatial emission structure of the bubbles. The simulated bubbles show a progression in their spectral properties as they age. In particular, the TeV $\gamma$-ray emission is initially strong and dominated by inverse Compton scattering, but falls rapidly after $\sim$ 1 Myr. By contrast, the radio synchrotron emission remains relatively stable and fades slowly over the lifetime of the bubble. Based on the emission properties of our post-processed simulations, we demonstrate that $\gamma$-ray observations will be limited in their ability to detect galaxy bubbles, with only young bubbles around nearby galaxies being within reach. However, radio observations with e.g. the up-coming Square Kilometer Array, would be able to detect substantially older bubbles at much greater distances, and would be better placed to capture the evolutionary progression and diversity of galaxy bubble populations.

研究动机与目标

• 研究银河系类星系中由短暂高能爆发引发的轻子型星系泡状结构的长期演化及其多波段辐射特性。
• 确定射电、X射线、GeV和TeV伽马射线波段的辐射特征随时间的演化规律，特别是与冷却和膨胀过程的关系。
• 评估利用当前和未来仪器在不同能量波段探测此类泡状结构在不同距离下的可观测性。
• 比较伽马射线与射电观测在探测不同演化阶段和距离的泡状结构时的相对灵敏度。
• 为将遥远泡状结构的射电观测与邻近宇宙中年轻泡状结构的高能伽马射线特征联系起来提供框架。

提出的方法

• 对银河系类星系中由星系核0.3 Myr剧烈爆发驱动的泡状结构演化进行三维磁流体动力学（MHD）模拟，包含自洽的磁场和各向异性宇宙射线（CR）扩散。
• 采用‘老化’模型描述轻子型宇宙射线，考虑随时间推移因逆康普顿散射和同步辐射导致的能量损失。
• 对模拟输出进行后处理，利用物理辐射机制（同步辐射（射电）、轫致辐射（X射线）、逆康普顿辐射（GeV/TeV伽马射线））计算从射电到TeV伽马射线的多波段辐射谱。
• 构建四个能量波段（射电、X射线、GeV、TeV）的空间辐射图，以可视化泡状结构在整个生命周期中辐射结构的演化。
• 通过将模拟通量与当前（Fermi-LAT）和未来（CTA、SKA）仪器的灵敏度阈值进行比较，评估在最大20 Mpc距离下的可观测性。
• 使用FLASH模拟代码结合yt进行数据可视化与分析，确保与先前模型（如Y12）的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在初始爆发后，轻子型星系泡状结构的多波段辐射特性（射电、X射线、GeV、TeV）如何随时间演化？
• RQ2 随着泡状结构老化，高能伽马射线辐射中逆康普顿散射与非热轫致辐射的相对贡献如何变化？
• RQ3 泡状结构的TeV伽马射线辐射在何时变得不可探测？其与射电辐射持续性的对比如何？
• RQ4 对于不同仪器（特别是Fermi-LAT、CTA和即将建成的平方公里阵列），泡状结构的可观测性如何随距离变化？
• RQ5 遥远的、老化的泡状结构的射电观测在多大程度上可用于推断邻近宇宙中年轻泡状结构的伽马射线特征？

主要发现

• 泡状结构的TeV伽马射线辐射初始较强，主要由逆康普顿散射主导，但约1 Myr后因能量损失和光子密度下降而迅速衰减。
• 射电同步辐射保持相对稳定，随泡状结构寿命缓慢衰减，是长期时间尺度上最持久的可观测特征。
• 距离超过约20 Mpc的泡状结构，即使使用CTA等未来仪器，也因通量随距离衰减而无法在任何波段被探测到。
• 对于M31（距离约0.7 Mpc），高能伽马射线辐射的可探测性在更年轻时即已下降，CTA的探测范围仅限于约13 Mpc内年龄小于0.5 Myr的最年轻泡状结构。
• 随着泡状结构膨胀，高能宇宙射线区域逐渐远离星际辐射场，泡状结构中TeV辐射的主导机制由逆康普顿散射向非热轫致辐射转变。
• 使用平方公里阵列（SKA）进行射电观测，能够探测到已不再在高能伽马射线波段可见的更老、更遥远的泡状结构，从而为泡状结构群体的多样性与演化提供更全面的视图。