利用西藏 ASγ 實驗量測次 PeV 銀河擴散伽馬射線通量，對已解析伽馬射線源貢獻的定量限制

核心概念

本研究發現，目前已解析的次 PeV 伽馬射線源的總通量，即次 PeV LHAASO 源加上天鵝座繭，無法完全解釋西藏 ASγ 實驗和 LHAASO 觀測站測量到的次 PeV 銀河擴散伽馬射線通量之間的差異。

摘要

書目資訊

Kato, S., Anzorena, M., Chen, D., et al. (2024). 利用西藏 ASγ 實驗量測次 PeV 銀河擴散伽馬射線通量，對已解析伽馬射線源貢獻的定量限制。[預印本]。arXiv:2411.11524v1 [astro-ph.HE]

研究目標

本研究旨在限制已解析的次 PeV 伽馬射線源對西藏 ASγ 實驗測量到的次 PeV 銀河擴散伽馬射線通量的貢獻。

方法

本研究使用 LHAASO 首次觀測到的次 PeV 伽馬射線源目錄（1LHAASO 目錄）以及天鵝座繭，來量化這些源對西藏 ASγ 實驗測量到的擴散通量的貢獻。研究人員考慮了西藏 ASγ 數據分析中採用的源遮罩方案，並使用蒙地卡羅模擬來估計未被遮罩的源通量比例。

主要發現

• 研究發現，已解析的次 PeV 伽馬射線源的總通量，即次 PeV LHAASO 源加上天鵝座繭，對西藏 ASγ 測量到的擴散通量的貢獻是次要的。
• 在西藏 ASγ 擴散分析中研究的兩個天區中，源通量在 121 TeV、220 TeV 和 534 TeV 的貢獻分別小於 26.9% ± 9.9%、34.8% ± 14.0% 和 13.5%+6.3%−7.7%（區域 A：25◦< l < 100◦和 |b| < 5◦）以及 24.1% ± 9.5%、27.1% ± 11.1% 和 13.5%+6.2%−7.6%（區域 B：50◦< l < 200◦和 |b| < 5◦）。
• 即使在減去源通量後，西藏 ASγ 測量到的擴散通量仍然高於 LHAASO 在內銀河平面區域測量到的擴散通量約三倍、兩倍和七倍（分別在 121 TeV、220 TeV 和 534 TeV）。

主要結論

• 目前已解析的次 PeV 伽馬射線源無法完全解釋西藏 ASγ 和 LHAASO 測量到的次 PeV 銀河擴散伽馬射線通量之間的差異。
• 在減去源通量後，西藏 ASγ 測量到的擴散通量的強子擴散性質是最自然的解釋，儘管不能排除來自非常微弱的未解析強子伽馬射線源的一些貢獻。
• 由於西藏 ASγ 和 LHAASO 採用不同的源遮罩方案進行擴散分析，導致這兩個實驗觀測到的天區的有效銀河緯度範圍不同。
• 不同源遮罩方案的影響導致了在區域 A 測量到的西藏 ASγ 擴散通量和在內銀河平面區域測量到的 LHAASO 擴散通量之間觀察到的差異（在次 PeV 能量範圍內約為三倍），即使這兩個實驗都觀測到了強子起源的次 PeV 銀河擴散伽馬射線發射。

研究意義

本研究結果對於理解次 PeV 銀河擴散伽馬射線發射的起源具有重要意義。它表明，除了已解析的次 PeV 伽馬射線源外，可能還需要其他來源來解釋觀測到的通量。

局限性和未來研究

本研究的一個局限性是，它依賴於 LHAASO 首次觀測到的次 PeV 伽馬射線源目錄，該目錄可能並不完整。未來的研究可以使用更靈敏的儀器（如 LHAASO 和 CTA）對次 PeV 伽馬射線源進行更深入的觀測，以解決這個問題。此外，需要對強子相互作用和宇宙射線傳播的模型進行改進，以便更準確地預測銀河系中擴散伽馬射線發射的通量。

統計資料

在區域 A（25◦< l < 100◦和 |b| < 5◦）中，源通量在 121 TeV、220 TeV 和 534 TeV 的貢獻分別小於西藏擴散通量的 26.9% ± 9.9%、34.8% ± 14.0% 和 13.5%+6.3%−7.7%。
在區域 B（50◦< l < 200◦和 |b| < 5◦）中，這些比例分別小於 24.1% ± 9.5%、27.1% ± 11.1% 和 13.5%+6.2%−7.6%。
在減去源通量後，區域 A 中的西藏擴散通量在 121 TeV、220 TeV 和 534 TeV 分別比內銀河平面區域中的 LHAASO 擴散通量高約三倍、兩倍和七倍。

引述

"在考慮了西藏擴散分析中採用的源遮罩方案後，源通量（即目前由 LHAASO 解析的次 PeV 伽馬射線源，即那些登記在第一個 LHAASO 目錄中的源加上天鵝座繭的伽馬射線通量）對西藏擴散通量的貢獻被發現是次要的"
"即使在減去源通量後，西藏擴散通量的強子擴散性質是最自然的解釋，儘管不能排除來自非常微弱的未解析強子伽馬射線源的一些貢獻。"
"我們的研究得出結論，不同源遮罩方案的影響導致了在區域 A 測量到的西藏擴散通量和在內銀河平面區域測量到的 LHAASO 擴散通量之間觀察到的差異（在次 PeV 能量範圍內約為三倍），即使這兩個實驗都觀測到了強子起源的次 PeV GDE。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Quantitative constraint on the contribution of resolved gamma-ray sources to the sub-PeV Galactic diffuse gamma-ray flux measured by the Tibet AS{\gamma} experiment

by S. Kato (1),... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11524.pdf

深入探究

如果未來的觀測結果顯示，未解析的強子伽馬射線源對西藏擴散通量的貢獻可以忽略不計，那麼這將如何影響我們對宇宙射線起源和傳播的理解？

如果未來的觀測結果證實未解析的強子伽馬射線源對西藏擴散通量的貢獻微不足道，那麼將更加支持西藏 ASγ 測量到的次 PeV 銀河擴散伽馬射線發射 (GDE) 主要起源於宇宙射線與星際介質相互作用產生的強子擴散輻射。這將對我們理解宇宙射線的起源和傳播產生以下重要影響：

宇宙射線在銀河系內的傳播模型: 這將為宇宙射線在銀河系內的傳播模型提供強有力的觀測證據，支持宇宙射線在銀河系中傳播時會與星際介質發生碰撞，產生π介子，進而衰變產生伽馬射線。
宇宙射線的空間分布: 通過分析 GDE 的空間分布特徵，可以推斷出宇宙射線在銀河系內的空間分布，進而限制宇宙射線源的類型和分布。
宇宙射線加速機制: GDE 的能譜特徵可以提供關於宇宙射線加速機制的線索。例如，如果觀測到的 GDE 能譜在高能段出現拐折，則可能暗示著宇宙射線加速存在上限。

總之，確認未解析的強子伽馬射線源貢獻可以忽略不計，將為我們提供一個更清晰的窗口，用以研究宇宙射線在銀河系內的起源、加速和傳播過程。

有沒有可能西藏 ASγ 和 LHAASO 觀察到的次 PeV 銀河擴散伽馬射線發射實際上是由兩種不同的機制產生的，例如一種機制在低緯度地區占主導地位，而另一種機制在高緯度地區占主導地位？

雖然目前觀測結果傾向於支持西藏 ASγ 和 LHAASO 測量到的次 PeV GDE 主要起源於強子擴散輻射，但兩種不同機制在不同緯度地區分別占主導地位的可能性仍然存在，並且是一個值得深入研究的課題。以下是一些可能的雙機制模型：

低緯度地區: 由於低緯度地區靠近銀河系盤面，星際介質密度較高，宇宙射線與星際介質相互作用產生的強子擴散輻射可能占主導地位。
高緯度地區: 高緯度地區星際介質密度較低，強子擴散輻射較弱。在這種情況下，其他機制，例如未解析的點源貢獻 (包括脈衝星、超新星遺迹等) 或銀河系風的貢獻，可能變得更加重要。

需要指出的是，要區分不同機制的貢獻，需要更精確的觀測數據和更完善的分析方法。例如：

提高觀測靈敏度: 更高靈敏度的觀測可以幫助我們更好地分辨點源和擴散輻射的貢獻，從而更準確地估計不同機制的貢獻比例。
擴展觀測能段: 不同能段的 GDE 可能對應著不同的起源機制。例如，更高能段的 GDE 可能更容易揭示出銀河系風的貢獻。
多信使觀測: 結合伽馬射線、宇宙射線和中微子的多信使觀測數據，可以更全面地理解 GDE 的起源和傳播。

如果我們能夠開發出一種技術，可以完全消除已解析的伽馬射線源對擴散通量的貢獻，那麼我們能否利用這些信息來探測來自暗物質湮滅或衰變的伽馬射線信號？

如果能夠完全消除已解析伽馬射線源對擴散通量的貢獻，將為我們打開一扇探測暗物質湮滅或衰變產生的伽馬射線信號的全新窗口。這是因為暗物質湮滅或衰變產生的伽馬射線信號非常微弱，很容易被來自已知天體的伽馬射線輻射所淹沒。
具體來說，消除已解析源的貢獻後，我們可以：

降低背景噪聲: 已解析源的去除將顯著降低伽馬射線背景噪聲，提高我們探測微弱暗物質信號的能力。
尋找特定能譜: 暗物質湮滅或衰變預計會產生具有特定能譜的伽馬射線信號，例如單能伽馬射線線譜。消除已解析源的貢獻後，我們可以更精確地搜尋這些特徵信號。
關注特定天區: 暗物質湮滅或衰變產生的伽馬射線信號預計在暗物質密度較高的區域，例如銀河系中心，會更加明顯。消除已解析源的貢獻後，我們可以更專注於這些目標天區的觀測。

然而，即使能夠完全消除已解析源的貢獻，仍然需要面對來自未解析源和強子擴散輻射的背景噪聲。因此，需要結合更先進的數據分析技術和更精確的宇宙射線傳播模型，才能有效地從背景噪聲中提取出暗物質信號。