[论文解读] The origin of the Fermi-LAT $γ$-ray background

Mattia Di Mauro|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本论文通过分析2FHL Fermi-LAT星表的光子涨落数据，表明耀星系——特别是未分辨的非轴对齐活动星系核、BL Lac源和FSRQ——贡献了50 GeV以上宇宙背景辐射伽马射线背景的86%（+16/-14%）。该研究通过源群体合成方法解析了各向同性弥漫伽马射线背景（IGRB），将其他源和弥漫过程的贡献限制在高能区EGB的16%以下。

ABSTRACT

The origin of the Isotropic Diffuse $γ$-Ray Background (IGRB) is one of the most intriguing mystery in astrophysics. Recently the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-Ray Space Telescope has measured the IGRB spectrum from 100 MeV to 820 GeV. Thousands of extragalactic sources are detected at $γ$-ray energies and, thanks to Fermi-LAT catalogs and to population studies, we show that the IGRB can be explained, in the entire energy range, by the $γ$-ray emission from unresolved misaligned Active Galactic Nuclei, blazars and Star Forming Galaxies. Finally we derive, with a dedicated analysis based on the 2FHL Fermi-LAT catalog at $E>50$ GeV, the intrinsic source count distribution of blazars and demonstrate that this source population explains the $86^{+16}_{-14}\%$ of the total extragalactic $γ$-ray background.

研究动机与目标

• 确定Fermi-LAT在100 MeV至820 GeV能量范围内测量的各向同性弥漫伽马射线背景（IGRB）的起源。
• 评估未分辨的河外源群体——特别是耀星系——是否能够解释观测到的IGRB和宇宙背景辐射伽马射线背景（EGB）。
• 利用光子涨落分析，从2FHL星表中推导出耀星系的本征源数量分布（dN/dS），并校正低于星表探测阈值的探测效率。
• 约束高能区E > 50 GeV时其他源群体和弥漫过程对EGB的贡献。
• 评估结果对暗物质湮灭/衰变以及星系形成伽马射线辐射导致的天体中微子起源的影响。

提出的方法

• 使用了基于80个月Pass 8数据的2FHL Fermi-LAT星表，覆盖50 GeV至2 TeV能量范围，共检测到360个源。
• 应用光子涨落分析，估算耀星系在低于星表灵敏度阈值的通量下的本征源数量分布（dN/dS）。
• 计算了探测效率ω(S)随通量S的变化关系，发现在约1×10⁻¹¹ ph cm⁻² s⁻¹时下降至10–20%，并据此对观测到的dN/dS进行校正。
• 将校正后的本征dN/dS积分，计算点源对50 GeV以上EGB的总通量贡献。
• 将耀星系的积分通量与Ackermann等人（2014）给出的总EGB强度进行比较，以确定被解析的分数。
• 利用推导出的本征源数量分布，预测未来望远镜（如CTA）在240小时观测时间、5mCrab灵敏度下的源计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 50 GeV以上的宇宙背景辐射伽马射线背景（EGB）是否可由未分辨的耀星系完全解释？
• RQ2 2FHL星表中耀星系的本征源数量分布（校正低于星表阈值的探测效率后）是什么？
• RQ3 在E > 50 GeV时，其他源群体（如星系形成源SFGs、脉冲星、MAGNs）或弥漫过程对EGB的贡献程度如何？
• RQ4 这些结果对高能伽马射线背景中暗物质湮灭或衰变的贡献有何约束？
• RQ5 基于推导出的本征源数量分布，切伦科夫望远镜阵列（CTA）在240小时内对四分之一天区、5mCrab灵敏度下可探测到的源数预测是多少？

主要发现

• 成功推导出2FHL星表中耀星系的本征源数量分布，可延伸至比星表灵敏度阈值低一个数量级的通量水平。
• 点源（主要为耀星系）的总通量贡献占50 GeV以上宇宙背景辐射伽马射线背景（EGB）的86%（+16/-14%）。
• 这意味着其他所有源群体和弥漫过程对EGB的贡献在E > 50 GeV时最多为14%（+14/-16%）。
• 86%（+16/-14%）的解析分数强烈限制了IGRB的其他解释，包括暗物质湮灭或衰变，以及星系形成源的强子发射。
• 该模型预测，切伦科夫望远镜阵列（CTA）在240小时观测时间、四分之一天区、5mCrab灵敏度下可探测到约200 ± 45个源。
• 结果在不同银河系弥漫发射模型及源通量建模中的系统不确定性下均保持稳健。