[論文レビュー] Acceleration and Interaction of Ultra High Energy Cosmic Rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の最も妥当な起源として、ファンアロフ・ライスリーII型電波銀河における衝撃波加速を調査し、このような源が自然に300 EeVまでの粒子を生成できることを示している。標準的な天体物理学的メカニズム——トポロジカル・デフェクトのような奇妙なモデルを除いて——が、観測されたスペクトル、組成、および非一様性を説明できることを主張している。特に、銀河間空間を通過する過程でのエネルギー損失と磁場効果を考慮することで、その説明が可能になる。

ABSTRACT

In this chapter I give an overview of shock acceleration, including a discussion of the maximum energies possible and the shape of the spectrum near cut-off, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. Possible sources of the highest energy cosmic rays are discussed including active galaxies, gamma ray bursts and topological defects. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

研究の動機と目的

• 従来の天体物理学的源、特にファンアロフ・ライスリーII型電波銀河が、超高エネルギーまで宇宙線を加速できるかどうかを評価すること。
• 宇宙背景放射や磁場との相互作用が、UHECRの観測スペクトルおよび組成に与える影響を評価すること。
• 10 EeV以上のエネルギー領域における観測されたGZKカットオフおよびスペクトルが、標準的な伝搬および加速メカニズムで説明可能かどうかを特定すること。
• 観測データを説明するために、トポロジカル・デフェクトのような奇妙なモデルが必要かどうかを検証すること、あるいは従来の物理学で十分かどうかを判断すること。
• 異なるモデルを区別できる主要な観測量（例：ニュートリノフラックス、到着方向パターン）を特定することで、今後の観測的アプローチを導くこと。

提案手法

• 標準的な拡散的衝撃波加速理論を用いて、特にFR II型電波銀河を含む銀河間源における衝撃波加速をモデル化すること。
• 宇宙マイクロ波背景放射および赤外背景放射との相互作用によるエネルギー損失（Bethe-Heitler対生成およびパイオン光生成）を計算すること。
• UHECRが背景放射場と相互作用することで発生する電子-光子カスケードをシミュレートすること。
• 磁場モデル（例：スーパクラスタで0.1 μG）を用いて、UHECR到着方向の偏光および非一様性に与える影響を評価すること。
• AGASAなどの実験から得られた観測データと、シミュレートされたスペクトルおよび到着パターンを比較すること。
• 最終的な観測フラックスに与える影響を評価するため、源の分布、磁場構造、および注入スペクトル（例：E⁻².⁴）の影響を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンアロフ・ライスリーII型電波銀河における衝撃波加速は、300 EeVに達する宇宙線を生成できるか？
• RQ2 宇宙背景放射および磁場との相互作用が、UHECRのエネルギースペクトル、組成、および到着方向に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 観測されたGZKカットオフおよび10 EeV以上のスペクトルは、標準的な伝搬モデルで説明可能か、それとも奇妙な源を必要とするか？
• RQ4 UHECRが引き起こす電子-光子カスケードは、観測される高エネルギーガンマ線およびニュートリノフラックスにどのように影響するか？
• RQ5 既知の源との相関がないという観測された非一様性は、磁場による偏光および源の分布によって説明可能か？

主な発見

• ファンアロフ・ライスリーII型電波銀河における衝撃波加速は、300 EeV以上のエネルギーを持つ宇宙線を生成でき、観測された最高エネルギー事象と整合的である。
• 10 EeV以上の観測スペクトル、特に平坦な成分およびGZKカットオフは、奇妙なモデルを導入せず、標準的な伝搬および加速物理学によってよく説明できる。
• パイオン光生成および対生成によるエネルギー損失の結果、20 Mpcを超える距離の源では最大エネルギーが約10¹¹ GeVに制限され、GZKカットオフと整合的である。
• 100 EeVを超える宇宙線は、磁場の影響を強く受けて大幅に偏光し、100 EeV未満では約80°、200 EeV以上では約10°の範囲に到着方向が広がる。これは、既知の源との相関がない理由を説明できる。
• UHECRが引き起こす電子-光子カスケードは、検出可能な高エネルギーガンマ線およびニュートリノフラックスを生成し、高エネルギー領域のスペクトルを支配する可能性がある。
• 0.1 μGの磁場を有する局所的スーパクラスタ環境と10 Mpcの源距離を組み合わせ、軟らかな注入スペクトル（E⁻².⁴）を仮定することで、10 EeV以上の観測スペクトルが再現できる。