Multimessenger Implications of Sub-PeV Diffuse Galactic Gamma-Ray Emission

被引:30
作者
Fang, Ke [1 ]
Murase, Kohta [2 ,3 ,4 ,5 ]
机构
[1] Univ Wisconsin, Dept Phys, Wisconsin IceCube Particle Astrophys Ctr, Madison, WI 53706 USA
[2] Penn State Univ, Dept Phys, University Pk, PA 16802 USA
[3] Penn State Univ, Dept Astron & Astrophys, University Pk, PA 16802 USA
[4] Penn State Univ, Ctr Multimessenger Astrophys, Inst Gravitat & Cosmos, University Pk, PA 16802 USA
[5] Yukawa Inst Theoret Phys, Ctr Gravitat Phys, Kyoto, Kyoto 6068502, Japan
基金
美国国家科学基金会;
关键词
NEUTRINO EMISSION; ENERGY-SPECTRUM; CONSTRAINTS; TELESCOPE; ICECUBE; ACCELERATION; ORIGIN; PLANE; KNEE;
D O I
10.3847/1538-4357/ac11f0
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
The diffuse Galactic gamma-ray flux between 0.1 and 1 PeV has recently been measured by the Tibet AS gamma Collaboration. The flux and spectrum are consistent with the decay of neutral pions from hadronuclear interactions between Galactic cosmic rays and the interstellar medium (ISM). We derive the flux of the Galactic diffuse neutrino emission from the same interaction process that produces the gamma rays. Our calculation accounts for the effect of gamma-ray attenuation inside the Milky Way and uncertainties due to the spectrum and distribution of cosmic rays, gas density, and infrared emission of the ISM. We find that the contribution from the Galactic plane (GP) to the all-sky neutrino flux is less than or similar to 5%-10% around 100 TeV. The Galactic and extragalactic neutrino intensities are comparable in the GP region. Our results are consistent with the upper limit reported by the IceCube and ANTARES Collaborations, and predict that next-generation neutrino experiments may observe the Galactic component. We also show that the Tibet AS gamma data imply either an additional component in the cosmic-ray nucleon spectrum or contribution from discrete sources, including PeVatrons such as superbubbles and hypernova remnants, and PeV electron accelerators. Future multimessenger observations between 1 TeV and 1 PeV are crucial to decomposing the origin of sub-PeV gamma-rays.
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