[论文解读] Star-forming galaxies as the origin of IceCube neutrinos: Reconciliation with Fermi-LAT gamma rays

Sovan Chakraborty, Ignacio Izaguirre|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文提出，星暴星系（SBGs）等星形成星系（SFGs）通过超新星和超新星遗迹中的强子相互作用，是IceCube探测到的弥散高能中微子的主要来源。该研究通过表明星暴星系中星系际与星系内伽马射线吸收会抑制级联伽马射线成分，从而缓解了与Fermi-LAT伽马射线观测限值之间的矛盾，使得预测的弥散伽马射线通量与当前观测限值相容，尽管存在强子中微子产生过程。

ABSTRACT

Cosmic ray accelerators like supernova and hypernova remnants in star forming galaxies are one of the most plausible sources of the IceCube observed diffuse astrophysical neutrinos. The neutrino producing hadronic processes will also produce a diffuse gamma ray flux, constrained by the Fermi-LAT bounds. The fact that point sources like blazars also contribute to the diffuse gamma ray flux implies large gamma opacity of the neutrino sources. Indeed, for these high redshift star forming galaxies the gamma absorption during the intergalactic propagation can be significant. In addition, large gamma attenuation inside these extreme source galaxies can reduce the cascade component of the diffuse flux. Under the current astrophysical uncertainties affecting these absorptions processes, we find the associated diffuse gamma ray flux can remain compatible with the current Fermi-LAT bounds.

研究动机与目标

• 调和IceCube观测到的弥散中微子通量与Fermi-LAT测量的各向同性弥散伽马射线背景（IGRB）之间的明显矛盾。
• 研究星形成星系（SFGs）中强子中微子产生模型是否能与Fermi-LAT对弥散伽马射线通量的约束保持一致。
• 评估星系际与星系内伽马射线吸收对SFGs弥散伽马射线谱的影响。
• 评估SFGs（尤其是SBGs）观测到的中微子通量是否能在不过度产生伽马射线的前提下与IGRB相容。
• 判断GeV-TeV能段弥散伽马射线通量中不存在显著过量是否意味着排除SFGs作为IceCube中微子来源的可能性。

提出的方法

• 通过超新星遗迹（SNRs）和超新星遗迹（HNRs）的贡献，建模SFGs的弥散中微子通量，这些遗迹通过强子相互作用中的π介子衰变产生中微子。
• 计算同一强子过程中中性π介子衰变产生的相关弥散伽马射线通量，形成主要伽马射线成分。
• 考虑星系际伽马射线吸收，通过与宇宙微波背景（CMB）和星系际背景光（EBL）的γγ相互作用，尤其针对高红移SBGs。
• 纳入星暴星系内部由于高光子密度和强磁场导致的星系内吸收，通过电子-正电子对的同步辐射抑制伽马射线通量的级联成分。
• 将总预测弥散伽马射线通量（包括主要成分与级联成分）与Fermi-LAT的IGRB限值进行比较，特别是约14–32%的非耀变体贡献约束。
• 利用邻近SBGs的观测数据，为高红移SBGs的尺寸、密度和磁场强度提供保守估计，作为建模假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube弥散中微子的强子起源是否能与Fermi-LAT的弥散伽马射线背景限值相容？
• RQ2 星系际伽马射线吸收在多大程度上抑制了高红移星暴星系弥散伽马射线通量的级联成分？
• RQ3 星暴星系内部的吸收（由于高光子密度和强磁场）如何影响预测的弥散伽马射线谱？
• RQ4 通过星系内吸收抑制级联成分是否缓解了观测中微子通量与IGRB上限之间的矛盾？
• RQ5 在100 TeV附近中微子谱存在能谱转折的情况下，该特征是否可作为更稳健的测试手段，以验证SFG起源模型，因为中微子受吸收影响远小于伽马射线？

主要发现

• 星系际与星系内伽马射线吸收的综合作用显著抑制了星暴星系弥散伽马射线通量的级联成分。
• 有趣的是，SBGs中高磁场所产生的电子-正电子对的同步辐射进一步降低了GeV-TeV能段的伽马射线通量，而非增强其通量。
• 在当前天体物理不确定性范围内，SFGs的总预测弥散伽马射线通量仍与Fermi-LAT的IGRB限值相容，特别是非耀变体成分的限值约14–32%。
• GeV-TeV能段弥散伽马射线通量中不存在显著过量，并不能排除SFGs作为IceCube弥散中微子主要来源的可能性。
• 100 TeV附近中微子谱的能谱转折——由SNRs与HNRs贡献差异所预测——仍为真实宇宙中微子起源提供更稳健、受吸收影响更小的探测手段。
• 本研究结论认为，SFGs与IceCube中微子之间的多信使图像依然成立，当前天体物理假设下，与Fermi-LAT观测之间的明显矛盾在统计上并不显著。