[论文解读] Particle acceleration and multimessenger emission from starburst-driven galactic winds

Enrico Peretti, Giovanni Morlino+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 110被引用 33

一句话总结

本文研究了星暴驱动星系风终端激波处的粒子加速，表明此类激波可产生能量高达约300 PeV的宇宙射线。该研究预测风泡中存在可探测的弥漫伽马射线和中微子辐射，其中后者在300 TeV以上占主导地位，并与IceCube观测数据一致；同时，这些源产生的宇宙射线通量与观测结果一致，可能对10^17 eV附近的河外宇宙射线通量有所贡献。

ABSTRACT

The enhanced star forming activity, typical of starburst galaxies, powers strong galactic winds expanding on kiloparsec (kpc) scales and characterized by bubble structures. Here we discuss the possibility that particle acceleration may take place at the termination shock of such winds. We calculate the spectrum of accelerated particles and their maximum energy, that turns out to range up to a few hundred petaelectronvolt (PeV) for typical values of the parameters. Cosmic rays accelerated at the termination shock are advected towards the edge of the bubble excavated by the wind and eventually escape into extragalactic space. We also calculate the flux of gamma rays and neutrinos produced by hadronic interactions in the bubble as well as the diffuse flux resulting from the superposition of the contribution of starburst galaxies on cosmological scales. Finally, we compute the diffuse flux of cosmic rays from starburst bubbles and compare it with existing data.

研究动机与目标

• 研究星暴驱动星系风终端激波在粒子加速中的作用。
• 模拟风泡中强子相互作用产生的多信使辐射（伽马射线与中微子）。
• 估算从星暴风泡逃逸的宇宙射线弥漫通量，并与观测数据进行比较。
• 评估当前及未来望远镜（尤其是VHE伽马射线与中微子波段）对这类辐射的可探测性。

提出的方法

• 采用半解析的漫射 shock 加速（DSA）模型，考虑激波参数与介质条件。
• 应用包含扩散、对流、绝热能量损失及高能粒子灾难性损失的输运模型，适用于风泡内部。
• 计算风泡中pp和pγ相互作用产生的伽马射线与中微子通量，考虑靶密度与磁场影响。
• 通过宇宙学尺度上所有星暴星系的叠加，估算宇宙射线的弥漫通量。
• 将理论预测与Fermi-LAT、IceCube及宇宙射线观测站数据（IceTop、KASCADE-GRANDE、Tunka）进行比较。
• 利用未来设施如CTA和ASTRI评估可探测性，重点关注VHE波段的形态与能谱特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 星暴驱动星系风终端激波处的粒子加速能否产生能量高达数百PeV的宇宙射线？
• RQ2 星暴星系叠加后的伽马射线与中微子弥漫通量预期为何？与观测约束如何比较？
• RQ3 星暴风泡产生的宇宙射线通量是否与10^17 eV附近观测到的河外宇宙射线谱一致？
• RQ4 未来VHE伽马射线与中微子望远镜能否区分风泡与星暴核心区域的辐射？
• RQ5 星暴风要产生可探测的中微子通量，需满足何种条件（如质量损失率、激波特性的强弱）？”

主要发现

• 在典型参数下，风终端激波处加速粒子的最大能量可达约300 PeV，低能段谱型接近E^-4。
• 星暴星系的弥漫伽马射线通量在低于约1 TeV时主要由中心星暴核主导，但在更高能量段风泡贡献变得可与之匹敌。
• 风区产生的中微子辐射可延伸至约300 TeV，并在超过约50 TeV后主导弥漫通量，与IceCube观测一致。
• 星暴风泡产生的弥漫宇宙射线通量与当前观测一致，且峰值位于几百PeV以下。
• 该模型预测，超亮星暴或具有AGN活动的星暴可能产生能量超过几百PeV的宇宙射线。
• 利用CTA与ASTRI探测风泡的VHE伽马射线辐射是可行的，尤其可通过红外光子未吸收的谱线特征实现。