Diffuse gamma-ray emission observed by the Fermi Large Area Telescope: massive stars, cosmic rays and the census of the interstellar medium in the Galaxy

Galactic diffuse gamma-ray emission is produced by interactions of cosmic rays (CRs) with interstellar gas and low-energy radiation fields. This is the brightest component of the high-energy gamma-ray sky, surveyed since 2008 with unprecedented sensitivity and angular resolution by the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope. Galactic diffuse emission constitutes not only a bright and structured background which needs to be modeled in order to study individual sources and fainter diffuse components, but it can be used also as a probe of the interstellar environment of the Milky Way. We present in-depth studies of LAT gamma-ray observations of selected regions in the local and outer Galaxy. LAT data are compared with multiwavelength tracers of the interstellar medium (ISM), including radio/mm-wave lines of gas and infrared emission/extinction from dust. The impact of the H I optical depth, often overlooked in the past, is carefully examined and recognized currently as the dominant source of uncertainty in the interpretation of observations. On one hand, we discuss the constraints provided by the gamma-ray data on the census of the interstellar gas. We determine the Xco=N(H2) /Wco ratio for several clouds, finding no significant gradients in the Galactic disc over a range of 3.5 kpc in Galactocentric radius, and variations of a factor <2 in nearby local clouds. We also find evidence for an ubiquitous dark phase of interstellar gas which does not shine at radio/mm wavelengths and which provides a mass of about 50% of that traced by CO. For the first time we determine its gamma-ray spectrum which is found to be well correlated with that of H I, thus further confirming that the emission originates from interstellar gas. On the other hand, we use the emissivity per hydrogen atom to infer the distribution of CRs in distant locations not accessible by direct measurements. While the local H I emissivity is consistent with the CR spectra measured near the Earth, no significant decrease is found toward the outer Galaxy in spite of the steep decline in number density of putative CR sources. The implications for CR origin and propagation are detailed. Our models successfully reproduce LAT data over most of the regions considered. A remarkably hard and extended excess of gamma-rays is detected in the innermost 100 pc of the massive-star forming region in Cygnus. The gamma-ray excess fills a ionized cavity, which apparently extends from the Cyg OB2 stellar cluster toward the g Cygni supernova remnant, and it hints to the presence of an excess of high-energy particles with respect to the surrounding clouds. We discuss its origin, the relationship with spatially coincident TeV emission detected by Milagro and the possible link with CR acceleration in the region.

L’emissione gamma Galattica diffusa è prodotta dalle interazioni dei raggi cosmici con il gas e I campi di radiazione di bassa energia nello spazio interstellare. Essa costituisce la componente più brillante del cielo gamma ad alte energie, osservato dal 2008 con una sensibilità e una risoluzione angolare senza precedenti dal Large Area Telescope (LAT) a bordo del telescopio spaziale Fermi . L’emissione Galattica diffusa costituisce non solo un fondo intenso e strutturato che è necessario modellare per studiare le sorgenti gamma individuali e le componenti diffuse più deboli, ma anche un mezzo per sondare l’ambiente interstellare della Via Lattea. In questa tesi si riportano alcuni studi delle osservazioni gamma del LAT per regioni selezionate della Galassia locale ed esterna. I dati del LAT sono confrontati con traccianti multifrequenza del mezzo interstellare, tra cui righe radio e millimetriche del gas e emissione e estinzione dovute alle polveri. L’impatto dello spessore ottico dell’idrogeno atomico, spesso trascurato in passato, è esaminato con cura e identificato allo stato attuale come la principale sorgente di incertezza nell’interpretazione delle osservazioni. Da un lato si discutono i vincoli dati dall’emissione gamma sul censimento del gas interstellare. Il rapporto Xco= N(H2) /Wco è determinato per varie nubi: non si osserva un gradiente significativo nel disco Galattico su una distanza di 3.5 kpc in raggio Galattocentrico, ma si evidenziano variazioni di un fattore <2 per le nubi locali. L’emissione gamma mette in evidenza in tutte le regioni studiate una fase oscura del gas interstellare che non brilla alle lunghezze d’onda radio o millimetriche, la cui massa rappresenta circa il 50% di quella tracciata dal CO; l’origine dell’emissione gamma da parte di gas oscuro è dimostrata dalla prima misura mai effettuata del suo spettro, che risulta ben correlato a quello dell’idrogeno atomico. Dall’altro lato l’emissività per atomo di idrogeno serve per tracciare la distribuzione dei raggi cosmici in regioni lontane non accessibili con misure dirette. Mentre l’emissività locale risulta consistente con lo spettro dei raggi cosmici misurato in prossimità della Terra, non si osserva nessuna diminuzione significativa nella Galassia esterna malgrado il rapido decremento nella densità delle sorgenti putative di raggi cosmici. Le implicazioni per la loro origine e propagazione sono discusse in dettaglio. I nostri modelli riproducono i dati del LAT nella maggior parte delle regioni considerate. Si rivela un eccesso esteso di emissione gamma dura nei 100 pc centrali della regione attiva di formazione stellare del Cigno. La “bolla” gamma riempie una cavità ionizzata, che apparentemente si estende dall’ammasso di stelle massicce Cyg OB2 in direzione del resto di supernova gamma Cygni, e suggerisce la presenza di un eccesso di particelle di alta energia rispetto alle nubi che la circondano. I possibili meccanismi di accelerazione alla sua origine sono esaminati anche in riferimento all’associazione con emissione gamma al TeV rivelata da Milagro.