[论文解读] The Cosmological Evolution of Blazars and the Extragalactic Gamma-Ray Background in the Fermi Era

Yoshiyuki Inoue, Tomonori Totani+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文基于耀变体谱谱能分布（SED）序列和光度依赖密度演化（LDDE）模型，提出了一种非平凡的河外伽马射线背景（EGRB）模型，其预测谱与费米卫星观测的EGRB谱高度一致。关键结果表明，耀变体主导了EGRB，贡献了100 MeV以上能量范围内约45%的流量，非耀变体活动星系核（AGN）在较低能量下亦有显著贡献，费米预计将在五年内探测到约1,200个耀变体，包括红移z ~ 6的源。

ABSTRACT

The latest determination of the extragalactic gamma-ray background (EGRB) radiation by Fermi is compared with the theoretical prediction of the blazar component by Inoue & Totani (2009; hereafter IT09). The Fermi EGRB spectrum is in excellent agreement with IT09, indicating that blazars are the dominant component of the EGRB, and contributions from any other sources (e.g., dark matter annihilations) are minor. It also indicates that the blazar SED (spectral energy distribution) sequence taken into account in IT09 is a valid description of mean blazar SEDs. The possible contribution of MeV blazars to the EGRB in the MeV band is also discussed. In five total years of observations, we predict that Fermi will detect ~1200 blazars all sky down to the corresponding sensitivity limit. We also address the detectability of the highest-redshift blazars. Updating our model with regard to high-redshift evolution based on SDSS quasar data, we show that Fermi may find some blazars up to z~6 during the five-year survey. Such blazars could provide a new probe of early star and galaxy formation through GeV spectral attenuation signatures induced by high-redshift UV background radiation.

研究动机与目标

• 利用费米时代的数据，检验耀变体SED序列在预测河外伽马射线背景（EGRB）方面的有效性。
• 确定耀变体与非耀变体AGN在MeV至GeV能量范围内对EGRB的相对贡献。
• 预测费米在五年巡天中可探测的耀变体数量，包括高红移源。
• 评估高红移耀变体（z ~ 6）的可探测性及其作为高红移紫外背景和早期星系形成探测工具的潜力。

提出的方法

• 基于X射线AGN光度函数，构建结合耀变体SED序列与光度依赖密度演化（LDDE）的耀变体伽马射线光度函数（GLF）模型。
• 利用SED序列建模耀变体的谱谱能量分布，其峰值频率与光度与总光度相关。
• 通过在红移与光度上积分GLF，考虑宇宙学演化与光子传播效应，预测EGRB谱。
• 将预测的EGRB谱与费米观测的EGRB数据进行比较，包括谱在100 GeV处的延伸部分。
• 利用100 MeV以上3×10⁻⁹和1×10⁻⁹光子 cm⁻² s⁻¹的灵敏度限，估算费米在一年与五年巡天中可探测的耀变体数量。
• 利用SDSS类星体数据提供的高红移演化约束，更新GLF模型，以预测红移高达z ~ 6的耀变体的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 耀变体SED序列是否能为EGRB谱提供有效且非平凡的预测，并与费米观测结果一致？
• RQ2 在100 MeV以上能量范围内，耀变体与非耀变体AGN对EGRB的贡献比例各为多少？
• RQ3 费米在五年任务中预计将探测到多少个耀变体？其预期红移分布如何？
• RQ4 高红移耀变体（z ~ 6）能否被费米探测到？其光谱是否能揭示高红移紫外背景的特征？

主要发现

• 基于SED序列与LDDE模型预测的EGRB谱与费米观测的EGRB谱高度一致，证实了该模型的有效性。
• 耀变体贡献了约45%的100 MeV以上观测到的EGRB流量，非耀变体AGN在较低能量下亦有显著贡献。
• 在100 MeV以上灵敏度限为1×10⁻⁹光子 cm⁻² s⁻¹的假设下，费米预计将在五年巡天中探测到约1,200个耀变体。
• 该模型预测，费米将在能量大于1 GeV时将超过98%的耀变体EGRB流量分解为离散源，而非耀变体AGN贡献中则不足0.1%被分解。
• 高红移耀变体（红移高达z ~ 6）预计可被费米探测到，为通过GeV能量段光谱衰减探测高红移河外紫外背景提供了新途径。
• 基于非热冕电子模型，MeV能量段EGRB的主要成分是非耀变体AGN，而非此前所推测的“MeV耀变体”。