[论文解读] The positron density in the intergalactic medium and the galactic 511 keV line

A. Vecchio, Vincent, A. C.+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，星系际介质（IGM）中的正电子源自河外活动星系核（AGN）喷流和射电瓣，这些正电子逃逸后被银河系吸积，从而贡献于观测到的511 keV伽马射线谱线发射。利用宇宙射电背景作为代理，作者估算出IGM中正电子与电子的比值最高可达~10⁻⁵，表明即使仅~10⁻⁶的分数也足以解释观测到的511 keV光度，且球面对称吸积模型可重现以银心为主导的发射分布特征。

ABSTRACT

The 511 keV electron-positron annihilation line, most recently characterized by the INTEGRAL/SPI experiment, is highly concentrated towards the Galactic centre. Its origin remains unknown despite decades of scrutiny. We propose a novel scenario in which known extragalactic positron sources such as radio jets of active galactic nuclei (AGN) fill the intergalactic medium with MeV e+e- pairs, which are then accreted into the Milky Way. We show that interpreting the diffuse cosmic radio background (CRB) as arising from radio sources with characteristics similar to the observed cores and radio lobes in powerful AGN jets suggests that the intergalactic positron-to-electron ratio could be as high as 10^{-5}, although this can be decreased if the CRB is not all produced by pairs and if not all positrons escape to the intergalactic medium. Assuming an accretion rate of one solar mass per year of matter into the Milky Way, a positron-to-electron ratio of only 10^{-7} is already enough to account for much of the 511 keV emission of the Galaxy. A simple spherical accretion model predicts an emission profile highly peaked in the central bulge, consistent with INTEGRAL observations. However, a realistic model of accretion with angular momentum would likely imply a more extended emission over the disk, with uncertainties depending on the magnetic field structure and turbulence in the galactic halo.

研究动机与目标

• 探究河外源（如AGN喷流）产生的正电子是否可解释银河系511 keV谱线发射。
• 基于观测的宇宙射电背景（CRB）特性，估算星系际正电子与电子的比值。
• 建立IGM正电子向银河系吸积的模型，并评估其对511 keV湮灭信号的贡献。
• 评估球面对称吸积模型是否能重现观测到的以银心为主导的511 keV发射形态。
• 探讨磁场与角动量在塑造银河系正电子湮灭空间分布中的影响。

提出的方法

• 通过将宇宙射电背景（CRB）建模为AGN喷流与瓣中相对论性电子-正电子对的同步辐射，估算IGM中正电子与电子的比值。
• 利用观测到的CRB谱（T_radio ∝ ν^−2.6）及光度函数外推，推断IGM中总对子群体的分布。
• 应用能量相关的IGM中正电子冷却 timescales，表明中等能量正电子可在宇宙时标内存活。
• 假设吸积速率为1 M☉/yr，建立IGM物质向银河系球面对称吸积的模型，计算银心区域正电子湮灭率。
• 采用Jean等人（2006）给出的正电子素形成分数（100%）计算湮灭产生的511 keV谱线预期光度。
• 将球面对称模型预测的发射分布与INTEGRAL/SPI观测结果进行比较，特别关注银心集中度与纬度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射电背景能否由河外电子-正电子对的同步辐射解释？这又对IGM中正电子密度意味着什么？
• RQ2 与CRB观测一致的IGM正电子与电子比值最大可能为多少？
• RQ3 IGM中正电子分数约为10⁻⁶是否足以解释银河系中观测到的511 keV光度？
• RQ4 简单的球面对称吸积模型能否重现观测到的511 keV发射在银心区域的高度集中特征？
• RQ5 银河系晕中的角动量与磁场将如何影响511 keV发射的预测形态？

主要发现

• 若宇宙射电背景源于AGN喷流与瓣的同步辐射，则IGM中正电子与电子的比值最大约为10⁻⁵。
• IGM中正电子分数低至~10⁻⁶已足以解释观测到的约2×10⁴³个正电子/秒的511 keV光度。
• 球面对称吸积模型预测的511 keV发射分布高度集中在银河系银心，与INTEGRAL/SPI观测结果一致。
• 在球面对称模型中，银心集中特征具有鲁棒性；但若考虑具有角动量的真实吸积过程，发射将更可能分布在银盘区域，从而降低中心光度。
• 银河系晕中的磁场结构可能进一步影响正电子轨迹与湮灭位置，若存在偶极分量，可能增强银心区域的发射。
• 未来对小尺度射电涨落的测量可检验宇宙学AGN种群是否负责CRB，从而间接验证IGM正电子种群的存在。