[论文解读] Particle acceleration and the origin of gamma-ray emission from Fermi Bubbles

D. O. Chernyshov, K. S. Cheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文提出，银河系中心黑洞的准周期性恒星吸积导致冲击波形成，将电子加速至约10 TeV，质子则超过10^15 eV。这些加速粒子通过与遗迹光子的逆康普顿散射产生观测到的伽马射线辐射，多冲击波加速机制可解释气泡的能谱特征和空间分布。

ABSTRACT

Fermi LAT has discovered two extended gamma-ray bubbles above and below the galactic plane. We propose that their origin is due to the energy release in the Galactic center (GC) as a result of quasi-periodic star accretion onto the central black hole. Shocks generated by these processes propagate into the Galactic halo and accelerate particles there. We show that electrons accelerated up to ~10 TeV may be responsible for the observed gamma-ray emission of the bubbles as a result of inverse Compton (IC) scattering on the relic photons. We also suggest that the Bubble could generate the flux of CR protons at energies > 10^15 eV because the shocks in the Bubble have much larger length scales and longer lifetimes in comparison with those in SNRs. This may explain the the CR spectrum above the knee.

研究动机与目标

• 解释费米-LAT观测到的费米气泡延伸伽马射线辐射的起源。
• 研究重复恒星吸积到中心黑洞产生的冲击波是否能将粒子加速至超高能量。
• 确定气泡冲击波是否可解释约10^15 eV处的宇宙射线谱‘膝’特征。
• 建模气泡环境中粒子加速过程，区分电子与质子加速机制。
• 将观测到的伽马射线能谱和空间分布与加速电子的逆康普顿辐射进行调和。

提出的方法

• 利用球对称、时间依赖的冲击波解析解，建模由恒星吸积事件周期性能量注入驱动的费米气泡中冲击波结构。
• 使用指数密度分布中冲击波传播的自相似解，推导冲击波前缘半径与高度及时间的关系。
• 基于扩散性冲击波加速理论，估算电子和质子的加速效率，考虑单冲击波与多冲击波两种情形。
• 利用电子能谱和磁场强度，计算相对论性电子与宇宙微波背景光子散射产生的逆康普顿伽马射线辐射谱。
• 通过调整扩散系数和冲击波注入速率，将预测的伽马射线谱和空间分布与费米-LAT观测结果进行比较。
• 利用玻姆扩散极限评估粒子最大加速能量，结合冲击波速度、磁场和电浆密度等参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心重复的恒星吸积事件是否可通过冲击波驱动的粒子加速产生观测到的费米气泡？
• RQ2 气泡冲击波中电子的最大加速能量是多少？是否与观测到的伽马射线谱一致？
• RQ3 气泡中多冲击波环境是否可解释低能区的谱硬化及伽马射线辐射的高能截止？
• RQ4 气泡中质子的加速是否足以解释约10^15 eV处的宇宙射线谱‘膝’特征？
• RQ5 在逆康普顿模型下，伽马射线辐射的空间分布与谱形特征与费米-LAT数据相比如何？

主要发现

• 电子在气泡冲击波中被加速至约10 TeV，多冲击波加速机制在低于约100 GeV的能量区产生电子谱的硬化，解释了Eγ < 1 GeV时观测到的谱形平坦化。
• 由于玻姆扩散极限，电子能谱在约3×10^13 eV处出现高能截止，与Eγ > 100 GeV时观测到的伽马射线截止一致。
• 当引入多冲击波加速时，逆康普顿散射预测的伽马射线谱与费米-LAT数据高度吻合，尤其在再现辐射的锐利空间边缘方面表现优异。
• 气泡冲击波中质子的加速可达到超过10^15 eV的能量，预测谱形为E^{-ν}，其中ν ≈ 3，为宇宙射线谱中‘膝’特征提供了合理解释。
• 单冲击波模型无法再现观测到的空间与谱形特征，而采用自相似解分布冲击波的多冲击波模型则成功匹配了伽马射线谱与观测到的空间分布。
• 冲击波年龄估计约为10^8年，恒星捕获率推断为ν ~ 10^{-4}–10^{-5} yr^{-1}，与观测到的气泡形态及时间尺度一致。