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恒星形成星系的宇宙射线电离和γ射线预算。

The cosmic ray ionization and γ-ray budgets of star-forming galaxies.

作者信息

Krumholz Mark R, Crocker Roland M, Offner Stella S R

机构信息

Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University, Canberra ACT 2600, Australia.

ARC Center of Excellence for Astronomy in Three Dimensions (ASTRO-3D), Canberra ACT 2600, Australia.

出版信息

Mon Not R Astron Soc. 2023 Feb 14;520(4):5126-5143. doi: 10.1093/mnras/stad459. eCollection 2023 Apr.

DOI:10.1093/mnras/stad459
PMID:36845327
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9949718/
Abstract

Cosmic rays in star-forming galaxies are a dominant source of both diffuse γ-ray emission and ionization in gas too deeply shielded for photons to penetrate. Though the cosmic rays responsible for γ-rays and ionization are of different energies, they are produced by the same star formation-driven sources, and thus galaxies' star formation rates, γ-ray luminosities, and ionization rates should all be linked. In this paper, we use up-to-date cross-section data to determine this relationship, finding that cosmic rays in a galaxy of star formation rate [Formula: see text] and gas depletion time produce a maximum primary ionization rate ζ ≈ 1 × 10( /Gyr) s and a maximum γ-ray luminosity [Formula: see text] erg s in the 0.1-100 GeV band. These budgets imply either that the ionization rates measured in Milky Way molecular clouds include a significant contribution from local sources that elevate them above the Galactic mean, or that CR-driven ionization in the Milky Way is enhanced by sources not linked directly to star formation. Our results also imply that ionization rates in starburst systems are only moderately enhanced compared to those in the Milky Way. Finally, we point out that measurements of γ-ray luminosities can be used to place constraints on galactic ionization budgets in starburst galaxies that are nearly free of systematic uncertainties on the details of cosmic ray acceleration.

摘要

在恒星形成星系中,宇宙射线是漫射γ射线发射和气体电离的主要来源,对于光子来说,这些气体屏蔽过深而无法穿透。尽管产生γ射线和电离的宇宙射线能量不同,但它们由相同的恒星形成驱动源产生,因此星系的恒星形成率、γ射线光度和电离率应该都相互关联。在本文中,我们使用最新的截面数据来确定这种关系,发现恒星形成率为[公式:见正文]且气体耗尽时间为的星系中的宇宙射线在0.1 - 100 GeV波段产生的最大初级电离率ζ≈1×10( /Gyr) s和最大γ射线光度[公式:见正文]erg s。这些预算意味着,要么在银河系分子云中测量到的电离率包括来自局部源的显著贡献,这些局部源将它们提升到高于银河系平均水平,要么银河系中由宇宙射线驱动的电离因与恒星形成无直接关联的源而增强。我们的结果还意味着,与银河系相比,星爆系统中的电离率仅适度增强。最后,我们指出,γ射线光度的测量可用于对星爆星系中的星系电离预算施加限制,这些星系在宇宙射线加速细节方面几乎没有系统不确定性。

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