Simulating the LOcal Web (SLOW) -- VI: Gamma-ray Emission in the Local Universe

Resumen Técnico: Simulación del SLOW (Simulando el Entorno Local de la Web) VI. Emisión de rayos gamma en el Universo local

Planteamiento del Problema
La emisión difusa de rayos gamma ($\gamma$) resultante de la dispersión de protones de rayos cósmicos (CR) contra el gas térmico en el medio intracúmulo (ICM) y el medio intergaláctico (IGM) permanece sin detectar por los instrumentos actuales, específicamente el Telescopio de Gran Área de Fermi (Fermi-LAT). Aunque las no detecciones establecen límites superiores para la densidad de energía de los protones relativistas (aproximadamente el 1% de la densidad de energía térmica), los modelos teóricos a menudo luchan por reconciliar la aceleración eficiente de protones en choques de fusión con estas restricciones observacionales. Las simulaciones previas frecuentemente modelaban los CR mediante presupuestos de energía total sin una evolución espectral explícita o aplicaban suposiciones espectrales de post-procesamiento, lo que potencialmente pasaba por alto la compleja interacción entre la aceleración por choque, la advección y el endurecimiento espectral en entornos cosmológicos realistas.

Metodología
Este trabajo presenta los resultados de la primera simulación magnetohidrodinámica (MHD) cosmológica restringida de un volumen de $500 h^{-1}$ cMpc (centrado en la Vía Láctea) que emplea un modelo de CR espectral en tiempo real (on-the-fly). La simulación, denominada SLOW-CR30723, utiliza el código OpenGadget3 y el resolvedor de Fokker-Planck Crescendo para evolucionar las funciones de distribución de protones y electrones de rayos cósmicos.

Componentes metodológicos clave:

• Condiciones Iniciales: Restringidas mediante el sondeo CosmicFlows-2 para reproducir la estructura a gran escala del Universo local.
• Física de CR: El modelo rastrea los protones de CR como leyes de potencia segmentadas en el espacio de momento, evolucionándolos mediante un enfoque de difusión-advección de dos momentos. Incluye explícitamente:
  • Inyección en choques mediante Aceleración de Choque Difusiva (DSA), dependiente del número de Mach sónico ($M_s$) y la oblicuidad del choque ($\theta_B$).
  • Cambios de energía adiabática debido a la expansión/contracción del gas.
  • Advección de los CR con el gas térmico (la difusión y el streaming se descartan debido al costo computacional y a hallazgos recientes que sugieren un confinamiento eficiente).
  • Pérdidas de energía para los electrones (sincrotrón y Compton inverso), aunque los protones son tratados como de larga vida en estos entornos.
• Cálculo de Rayos Gamma: La emisividad de rayos $\gamma$ se deriva directamente de los espectros de protones de CR simulados y la densidad del gas térmico local. El cálculo asume la desintegración $\pi^0$ como el canal dominante para la banda de Fermi-LAT (100 MeV – 100 GeV), utilizando parametrizaciones de sección eficaz de Kafexhiu et al. (2014).
• Comparación: Los resultados se comparan con los límites superiores de Fermi-LAT (Ackermann et al. 2014) y modelos analíticos (Pfrommer & Enßlin 2004). El estudio también realiza pruebas de resolución utilizando simulaciones de zoom (conjunto Dianoga) para evaluar la precisión del detector de choques.

Resultos Clave

1. Distribución de Protones de CR: Los protones de CR son acelerados en todos los choques de formación de estructuras y de acreción dentro de los cúmulos de galaxias y los filamentos de la red cósmica. Estos protones son advectados a través del volumen del cúmulo, formando halos que se extienden hacia y más allá del radio de virial, siguiendo estrechamente la red cósmica.
2. Flujo y Luminosidad de Rayos Gamma: El valor absoluto de la emisión difusa de rayos $\gamma$ en la simulación está entre tres y cinco órdenes de magnitud por debajo de los límites superiores actuales de Fermi-LAT para cúmulos masivos (ej. Coma, Virgo, Perseus).
   • La relación promedio volumétrica de la presión de los protones de CR respecto a la presión térmica ($X_{CR}$) es significativamente menor que el límite del $\sim 1\%$ asumido frecuentemente en modelos analíticos.
   • Al considerar únicamente las partículas de gas que realmente contienen una población de CR, la relación de presión aumenta pero permanece uno a dos órdenes de magnitud por debajo de los límites observacionales.
3. Características Espectrales: Los espectros de rayos $\gamma$ simulados exhiben una pendiente de $\alpha_\gamma \approx -1$ (lo que implica un índice espectral de protones $\alpha_p \approx 2.0$) para energías por encima de 1 GeV. Esto es más plano que algunas predicciones previas, pero se atribuye al sesgo de la simulación hacia la detección de choques más fuertes debido a las limitaciones de resolución.
4. Brillo Superficial: Los valores de brillo superficial central para los cúmulos oscilan entre $10^{-9}$ y $10^{-8}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$, disminuyendo de 2 a 3 órdenes de magnitud hacia el radio de virial. La emisión difusa en los filamentos es 4 a 5 órdenes de magnitud más tenue que en los centros de los cúmulos.

Significancia y Limitaciones
El artículo afirma que su principal significancia radica en proporcionar un límite inferior para la emisión difusa de rayos $\gamma$ basado en un tratamiento consistente en tiempo real de la aceleración y el transporte de CR en un contexto cosmológico. Los autores enfatizan que sus resultados están impulsados por elecciones físicas y numéricas específicas:

• Oblicuidad de Choque: La inclusión de una eficiencia de aceleración dependiente de la oblicuidad (basada en Caprioli & Spitkovsky 2014; Pais et al. 2018) suprime la aceleración de protones en choques cuasi-perpendiculares, que son comunes en choques de fusión.
• Resolución y Detección de Choques: La resolución actual ($3072^3$ partículas) limita la detección de choques de bajo número de Mach ($M_s < 2.25$) donde la aceleración es ineficiente en el modelo adoptado. Las pruebas de resolución sugieren que aumentar la resolución por un factor de 10 podría aumentar la energía de los CR por un factor de 2–3.
• Parámetros de Inyección: La elección del momento de inyección ($\hat{p}_{inj} = 0.1$) y la parametrización específica de DSA (Ryu et al. 2019) impactan significativamente la emisividad resultante.

Los autores concluyen que, bajo sus suposiciones de modelo específicas, la detección de la emisión difusa de rayos $\gamma$ del cúmulo Coma requeriría una sensibilidad de $F_\gamma < 10^{-11}$ $\gamma$ s$^{-1}$ cm$^{-2}$. Observan que la discrepancia entre sus bajas predicciones y las estimaciones más altas previas (o posibles indicios de emisión) probablemente proviene de la combinación de los efectos de la oblicuidad de choque, los límites de resolución en la detección de choques y las eficiencias de parametrización utilizadas. Se requiere trabajo futuro para variar estos parámetros de aceleración de CR para proporcionar predicciones más concluyentes.