Влияние внегалактических магнитных полей на диффузное каскадное гамма-излучение

Аннотация

Обсуждается интенсивность диффузного гамма-излучения, образующегося в электромагнитных каскадах при распространении космических лучей ультравысоких энергий в межгалактическом пространстве. Получено, что в области энергий ~10⁷—10⁹ эВ спектры каскадного диффузного излучения слабо зависят от величины магнитного поля. Поэтому для оценки интенсивности каскадного гамма-излучения в этой области энергий не требуются уточненные модели межгалактического магнитного поля.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Космические лучи (КЛ) ультравысоких энергий (УВЭ) E > 4 × 10¹⁹ эВ взаимодействуют с фоновым излучением γ_b — CMB, радио и внегалактическим фоновым светом (EBL) в реакциях p + γ_b → p + π⁰ либо n + π⁺, π⁰ → γ + γ, π⁺ → μ⁺ + ν_µ, μ⁺ → e⁺ + ν_e + + ν ̅_µ, n → p + e^– + ν ̅_e [1—4]. Рожденные e^±, γ взаимодействуют с фоновым излучением γ_b, генерируя электромагнитные каскады (ЭМ-каскады) в процессах e + γ_b→ e^'+ γ^' (IC-рассеяние) и γ + γ_b → e⁺ + e^– (образование пар) [4—9].

Помимо IC-рассеяния e^± могут генерировать синхротронное излучение в межгалактическом магнитном поле (EGMF), что приводит к нарушению описанного развития ЭМ-каскада. Развитие каскада не будет нарушено, если поле B < 10^–9 Гс [10].

Межгалактическое магнитное поле неоднородно: в войдах B < 10^–11 Гс, на границах войдов и в филаментах B ~ 10^–9—10^–7 Гс, внутри галактик и в их окрестности (внутри галактических кластеров) B ~ 10^–6 Гс. Космические лучи и каскадные частицы распространяются, практически не пересекая галактики, галактические кластеры и крупномасштабные структуры вне войдов, поскольку относительный объем этих областей незначителен. Поэтому влияние их магнитных полей на развитие каскада незначительно. Однако оценка этого влияния может быть релевантной для поиска частиц темной материи. Продукты их аннигиляции, распадаясь, рождают гамма-кванты, поэтому частицы могут быть обнаружены по избытку диффузного гамма-излучения. Вследствие этого при поиске экзотических частиц требуется знать вклад различных компонент в диффузное излучение, одной из которых является каскадное излучение.

Для выяснения влияния магнитного поля на каскадное излучение мы моделировали распространение космических частиц в однородном поле величиной ~10^–6 Гс, типичном внутри галактик и галактических кластеров, и в поле ~10^–12 Гс, которое содержится в областях вне галактик, галактических кластеров и в войдах. Получено, что в области энергий ~10⁷—10⁹ эВ спектры каскадного диффузного излучения слабо зависят от величины магнитного поля. Поэтому не требуется уточнять модели межгалактического магнитного поля для оценки интенсивности каскадного гамма-излучения в этой области энергий.

МОДЕЛЬ

Основные предположения принятой модели таковы.

Частицы ускоряются в активных ядрах галактик (АЯГ) вблизи сверхмассивных черных дыр (СМЧД) (см., например, [11]), поэтому АЯГ могут быть источниками КЛ УВЭ независимо от типа и расстояния до них. Расстояния до источников КЛ УВЭ соответствуют красным смещениям z ≈ 0.001—5.

Эволюция СМЧД неясна. Мы используем модель эволюции объектов типа Blue Lacertae objects (BL Lac), так как эта модель описывает совокупность данных по КЛ УВЭ [12]. BL Lac — это один из типов АЯГ.

КЛ УВЭ состоят из протонов. Они ускоряются на фронтах ударных волн (в джете или аккреционном диске) [11, 13, 14], поэтому спектр инжекции КЛ — степенной α E^–α, α = 2.2—2.5. В нашей модели α = 2.2.

В модели были приняты следующие параметры внегалактического фонового излучения. СМВ имеет планковское распределение по энергии со средним значением энергии ε_r = 6.7 × 10^–4 эВ, средняя плотность фотонов n_r = 400 см^–3; параметры радиоизлучения были взяты из [15], внегалактического фонового света — из [16].

Внегалактическое магнитное поле однородное, его величина B = 10^–6 или 10^–12 Гс.

Вычисления проводились с использованием кода TransportCR [17].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В области E ≥ 10¹⁹ эВ гамма-излучение рождается в распадах π⁰, и кривые совпадают. При меньших энергиях гамма-кванты рождаются и в ЭМ-каскадах, и в синхротронном процессе. Каскадные электроны рассеиваются на синхротронных квантах, энергия электронов уменьшается, и в спектре гамма-излучения в области ~10¹⁴—10¹⁸ эВ образуется провал, выраженный тем ярче, чем больше поле B. Перекачка частиц в область низких энергий в поле B = 10^–6 Гс приводит к совпадению кривых в области ~10⁷—10⁹ эВ и росту интенсивности гамма-излучения в поле B = 10^–6 Гс по сравнению с интенсивностью гамма-излучения в поле B = 10^–12 Гс при E < 10⁷ эВ.

Рис. 1. Модельные спектры диффузного каскадного гамма-излучения около Земли при B = 10^–6, 10^–12 Гс. Спектры при B < 10^–12 и B = 10^–12 Гс совпадают

Когда интенсивности равны, их отношение R = J(E, B = 10^–12 Гс) / J(E, B = 10^–6 Гс) = 1. В области энергий ~10⁷—10⁹ эВ относительное отклонение от единицы составляет δR ≈ 0.25—0.3, при меньших энергиях δR ≥ 3, с ростом энергии δR ~ 10—100.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы получили, что в области энергий ~10⁷—10⁹ эВ, получая оценку вклада диффузного каскадного гамма-излучения во внегалактический гамма-фон, не требуется уточнение моделей внегалактического магнитного поля.

Интенсивность каскадного гамма-излучения, по-видимому, требуется знать при поиске экзотических частиц, так как они могут быть обнаружены по избытку диффузного гамма-излучения, поскольку продукты их аннигиляции, распадаясь, рождают гамма-кванты. Поэтому при поиске экзотических частиц необходимо знать вклад различных компонент в диффузное излучение, в том числе каскадного гамма-излучения.