Do the sources of the 511 keV excess explain the anomalous CMZ ionization?

Probleemstelling

Het artikel adresseert twee opvallende astronomische anomalieën in het centrum van de Melkweg (Galactic Centre, GC):

1. De 511 keV excess: Er wordt een intense emissie van 511 keV-fotonen waargenomen rond het galactische centrum, veroorzaakt door de annihilatie van positronen. De bron van deze positronen is nog steeds een mysterie ("positron puzzle"), maar recente analyses suggereren dat ze worden ingespoten met lage energieën (ongeveer MeV) en een ruimtelijke verdeling volgen die overeenkomt met de sterrenbult (bulge) van de Melkweg.
2. De anomalie in de ionisatie van de CMZ: In de Centrale Moleculaire Zone (CMZ), een dicht gebied van moleculair gas rond het GC, wordt een uitzonderlijk hoge ionisatiesnelheid van waterstof ($H_2$) gemeten ($\zeta \sim 10^{-14} - 10^{-15} \text{ s}^{-1}$). Dit is twee tot drie orders van grootte hoger dan wat door kosmische straling kan worden verklaard. Bepalend is dat deze ionisatie ruimtelijk vrij uniform is verdeeld over de CMZ, terwijl bekende bronnen (zoals Sgr A* of puntbronnen) een sterke radiale afhankelijkheid zouden voorspellen.

De centrale vraag van dit onderzoek is of de populatie van bronnen die verantwoordelijk is voor de 511 keV-excess (die MeV-positronen injecteert), ook de bron kan zijn van deze anomalie in de ionisatie van de CMZ.

Methodologie

De auteurs hebben een numeriek model ontwikkeld om de ionisatiesnelheid te berekenen die voortvloeit uit de injectie van positronen, gekoppeld aan waarnemingen van de 511 keV-lijn.

1. Ruimtelijke Verdeling van Bronnen:
   Er zijn verschillende modellen voor de verdeling van de positronbronnen getest, gebaseerd op de sterrenverdeling in de bult:

   • Boxy-bulge: Een triaxiaal model dat goed past bij de verdeling van rode clump-reuzen.
   • Korol-verdeling: Een radiaal symmetrisch model met een exponentiële daling.
   • Nucleaire Sterrenschijf (NSD): Een component dicht bij het centrum (binnen 200 pc).
   • Nucleaire Sterrencluster (NSC): Een zeer compacte component binnen de eerste parsec.
     De auteurs hebben ook gecombineerde modellen getest (bijv. Boxy-bulge + NSD + NSC) om een realistischere bronverdeling te krijgen.

2. Injectiespectra:
   Drie verschillende spectra voor de injectie van positronen zijn onderzocht:

   • Log-normaal spectrum: Een parametrisch model dat flexibel is voor verschillende bronnen.
   • $\beta^+$-radionucliden: Spectra gebaseerd op het verval van isotopen zoals $^{26}\text{Al}$, $^{22}\text{Na}$, $^{44}\text{Ti}$ en $^{56}\text{Co}$.
   • Pulsar-spectrum: Een machtswet met een exponentiële cutoff (power-law), representatief voor pulsars of X-ray binaries.

3. Normalisatie en Propagatie:

   • De totale injectiesnelheid van positronen is genormaliseerd op de waarde die nodig is om de waargenomen 511 keV-intensiteit in de binnenste 8 graden van de Melkweg te verklaren ($2 \cdot 10^{43} \text{ e}^+/\text{s}$).
   • Slechte aanname: Gezien de lage energie van de positronen (onder de tientallen MeV) en de hoge dichtheid van het gas in de CMZ, wordt diffusie verwaarloosd. De positronen verliezen hun energie voornamelijk door ionisatie van het gas en worden thermisch voordat ze het gebied verlaten. Dit vereenvoudigt de berekening omdat er geen onbekende diffusiecoëfficiënten nodig zijn.

4. Berekening van Ionisatie:
   De ionisatiesnelheid ($\zeta$) wordt berekend door de flux van positronen te integreren over het energiebereik, gebruikmakend van de ionisatiewerkzame doorsnede ($\sigma$) voor $e^+ - H_2$ interacties en rekening houdend met secundaire ionisaties.

Belangrijkste Resultaten

1. Onvoldoende Ionisatie bij Algemene Verdelingen:
   Voor de meeste verdelingen (alleen Boxy-bulge, alleen NSD, of combinaties zonder NSC) ligt de voorspelde ionisatiesnelheid in de CMZ significant onder de waargenomen waarden (rond $10^{-17} \text{ s}^{-1}$ tot $10^{-16} \text{ s}^{-1}$, terwijl waarnemingen $10^{-14} - 10^{-15} \text{ s}^{-1}$ aangeven).

   • Positief punt: Deze modellen voorspellen wel een vrij uniforme ruimtelijke verdeling van de ionisatie, wat overeenkomt met een van de meest opvallende kenmerken van de waarnemingen in de CMZ.

2. Invloed van de Nucleaire Sterrencluster (NSC):
   Wanneer de NSC (die zeer geconcentreerd is binnen de eerste parsec) wordt opgenomen in het model, stijgt de ionisatiesnelheid in het binnenste parsec dramatisch, zelfs boven de waargenomen waarden ($> 10^{-14} \text{ s}^{-1}$).

   • Negatief punt: Dit leidt echter tot een zeer steil profiel. De ionisatie neemt snel af naarmate men zich van het centrum verwijdert, wat in strijd is met de waargenomen uniformiteit over de hele CMZ.

3. Invloed van het Spectrum:
   Het type spectrum (radionucliden vs. pulsars) heeft een beperkt effect op de conclusie. Zelfs bij het gebruik van radionucliden-spectra (die laagenergetisch zijn en goed passen bij de 511 keV-data) is de ionisatie door positronen alleen onvoldoende om de anomalie te verklaren, tenzij de NSC wordt meegenomen, wat dan weer het ruimtelijke profiel verstoort.

4. Rol van Diffusie en Winden:
   De auteurs merken op dat het meenemen van diffusie of advectie (bijv. door galactische winden) het profiel iets zou kunnen afvlakken, maar dit effect wordt geacht klein te zijn voor MeV-positronen in een dichte omgeving. Zelfs met deze correcties lijkt de totale ionisatie onvoldoende om de waarnemingen volledig te verklaren.

Conclusies en Significantie

• Positronen zijn niet de enige boosdoener: De studie concludeert dat injectie van positronen door bronnen die de 511 keV-excess verklaren, alleen niet voldoende is om de anomalie in de ionisatie van de CMZ te verklaren.
  • Als de bronnen de sterrenverdeling volgen, is de ionisatie ofwel te laag (voor uniforme profielen) ofwel te lokaal geconcentreerd (als de NSC wordt meegenomen).
• Aanwezige andere deeltjes: De auteurs benadrukken dat veel bronnen van positronen (zoals supernova's, X-ray binaries en pulsars) ook andere energetische deeltjes uitzenden, zoals versnelde protonen en zware kernen. Deze deeltjes dragen waarschijnlijk aanzienlijk bij aan de ionisatie en zouden de waarnemingen kunnen verklaren. Dit aspect wordt voor toekomstig werk gereserveerd.
• Koppeling van Anomalieën: Hoewel positronen alleen de ionisatie niet verklaren, onderstreept het onderzoek de mogelijke correlatie tussen lage-energie deeltjesemissies in het galactische centrum. Het vinden van dergelijke correlaties kan een krachtig hulpmiddel zijn om de oorsprong van deze langdurige anomalieën te ontrafelen en de eigenschappen van onbekende bronnen te beperken.

Kortom, de 511 keV-bronnen leveren een bijdrage aan de ionisatie in de CMZ die groter is dan eerder geschat voor andere kandidaat-bronnen, maar ze vormen niet de volledige oplossing voor het ionisatieprobleem zonder de bijdrage van andere, zwaarder ioniserende deeltjes.