[論文レビュー] A Fit to the Galactic Cosmic Ray Hydrogen and Helium Spectra at Voyager 1 at Low Energies and Earth Based Measurements at Much Higher Energies with Identical Rigidity Independent Source Spectra for the Hydrogen and Helium Nuclei

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、惑星界の宇宙線水素およびヘリウムスペクトルを、ボイアジャー1号の低エネルギー測定（3–600 MeV/nuc）がホリオパウゼを越えて得られたものから、地球基準の高エネルギーデータ（最大100 GeV/nuc）まで広範なエネルギー範囲にわたって統一的にフィットする手法を提示する。重み付きリークボックスモデルを用い、剛性に依存しない源スペクトル（指数−2.28）と剛性に依存する拡散パス長（1 GV以上ではP⁻⁰.⁵、1 GV未満ではP¹.⁰の可能性あり）を組み込むことで、すべてのエネルギー領域で優れた一致を達成し、銀河内における水素およびヘリウム核の共通の起源を示唆している。

ABSTRACT

Voyager 1 data from beyond the heliopause provide the first direct measurements of the interstellar cosmic ray spectra below 1 GeVnuc. In this paper we combine these Voyager measurements of H and He nuclei from 3-600 MeVnuc with higher energy measurements at 1 AU from the BESS and PAMELA experiments up to 100 GeVnuc. Using a Weighted Leaky Box Model for propagation in the galaxy, we obtain an excellent fit to these new Voyager observations and the much higher energy spectra up to 100 GeVnuc by using source spectra which are P-2.28, with the exponent independent of rigidity from low to high rigidities; along with a rigidity dependence of the diffusion path length which is P-0.5 at rigidities 1.00 GV, and possibly changing to P1.0 at lower rigidities.

研究の動機と目的

• ボイアジャー1号の低エネルギー銀河宇宙線スペクトルと1 AUにおける高エネルギー測定を統合する。
• 水素およびヘリウム核が広い剛性範囲で同一の源スペクトルを持つかどうかを特定する。
• 重み付きリークボックスモデルが、1 GeV/nuc未満から100 GeV/nucまでの宇宙線伝搬を記述する上で一貫性を示すかどうかを検証する。
• 銀河宇宙線伝搬モデルにおける拡散パス長の剛性依存性を調査する。
• 広いエネルギー範囲で異なるエネルギー領域における水素およびヘリウム宇宙線データを説明できる、一様な剛性非依存源スペクトルが妥当かどうかを評価する。

提案手法

• 1 GeV/nuc未満の水素およびヘリウム核のボイアジャー1号の直接測定値と、1 AUにおけるBESSおよびPAMELAの高エネルギー測定データ（最大100 GeV/nuc）を統合する。
• エネルギー依存性のある拡散およびイオン化エネルギー損失を組み込んだ重み付きリークボックスモデルを用いて、銀河宇宙線伝搬をシミュレートする。
• 水素およびヘリウムの両者に同一の源スペクトル（E⁻².²⁸）を仮定し、普遍性を検証する。
• 2段階の拡散パス長依存性（1 GV以上ではP⁻⁰.⁵、低剛性ではP¹.⁰）を導入し、データに適合させる。
• 測定誤差を考慮して全エネルギー範囲にわたる残差を最小化するための重み付き最小二乗フィットを実施する。
• モデルを用いて全エネルギー範囲における水素およびヘリウムスペクトルの形状を予測し、観測結果との一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の剛性非依存源スペクトルが、低エネルギーから高エネルギーにわたる水素およびヘリウム宇宙線スペクトルを説明できるか？
• RQ2 銀河内における拡散パス長の剛性依存性はどのように変化するか？また、エネルギー領域によってその依存性は変化するか？
• RQ3 3 MeV/nucから100 GeV/nucの範囲で観測された水素およびヘリウム宇宙線スペクトルは、同一の注入スペクトルと整合的か？
• RQ4 重み付きリークボックスモデルは、ボイアジャー1号および地球基準の測定を統合的に正確に再現できるか？
• RQ5 全エネルギー範囲にわたってスペクトル形状を説明できる最適な拡散パス長の剛性依存性は何か？

主な発見

• モデルは、水素およびヘリウム核の両方について、ボイアジャー1号の低エネルギー測定（3–600 MeV/nuc）および地球基準の高エネルギー測定（最大100 GeV/nuc）に優れた一致を達成した。
• 指数が−2.28の源スペクトルは、剛性に依存せず水素およびヘリウム両方のデータと整合的であり、普遍的な注入スペクトルを支持する。
• 剛性が1 GV以上では、拡散パス長がP⁻⁰.⁵に従うことが最適であり、外銀河におけるエネルギー依存性が弱いことを示唆している。
• 剛性が1 GV未満では、P¹.⁰への遷移が最も低エネルギー領域のフィットを改善し、低剛性領域における伝搬物理学の変化を示唆している。
• 10桁のエネルギー範囲にわたるフィットの一貫性は、重み付きリークボックスモデルが銀河宇宙線伝搬に適していることを強く支持する。
• 結果から、水素およびヘリウム核が銀河宇宙線集団に注入される際に、同一の物理的メカニズムが支配している可能性が示唆される。