[論文レビュー] An extragalactic ``flux trapping'' origin of the dominant part of hadronic cosmic rays?

R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、10 MeV/核子を超えるバリオン宇宙線の支配的成分が銀河間的に起源を持つと提案し、銀河系内の閉じ込められた体積でのフラックストラッピングがその局所的豊度を説明するとする。このモデルは、銀河系外起源と観測されたエネルギースペクトルを調和させ、銀河間および銀河系磁場に関する保守的な仮定のもとで、宇宙線スペクトルの「アングル」特徴を自然に説明する。

ABSTRACT

An extragalactic origin of the dominant part of all extrasolar hadronic cosmic rays above about 10 MeV/nucleon has long been considered unlikely due to energy considerations. In order to circumvent such arguments, the hypothesis that ``flux trapping'' of extragalactic cosmic rays occurs in the Galactic confinement volume is advanced in this paper. This hypothesis is based on a number of speculative assumptions about the properties of Galactic and intergalactic magnetic fields. The intergalactic cosmic-ray density expected under conservative assumptions about its extragalactic origins is then shown to be of the right order of magnitude to account for the locally observed cosmic radiation. It is demonstrated that an extragalactic scenario of cosmic-ray origin that is consistent with the observed cosmic-ray energy spectrum and preserves the successes of Galactic propagation theory can be constructed. The position of the ``ankle'' in the cosmic-ray energy spectrum follows as a natural consequence from this explanation. The $γ$-ray flux from the Magellanic clouds is shown to provide no suitable testing ground for the decision for or against an extragalactical origin in this scenario. It is argued that recent observational evidence seems to be in favour of a dual origin of cosmic-rays. The hadronic component is mainly extragalactic while the electrons are accelerated in Galactic supernova remnants.

研究の動機と目的

• エネルギー制約が銀河系起源を支持する中で、高エネルギーバリオン宇宙線の起源を説明する長年の課題に取り組むこと。
• 銀河系内閉じ込め体積におけるフラックストラッピングというメカニズムを提案し、銀河系外起源と局所的宇宙線観測を調和させること。
• 特に約10^16 eVにおける「アングル」特徴を含め、観測された宇宙線エネルギースペクトルと整合することを示すこと。
• マゼラン雲が銀河系外宇宙線起源の検証のためのテストベッドとして有効かどうかを評価すること。
• 最近の観測的証拠が、バリオンは銀河系外で、電子は銀河系内で生成されるという二重起源モデルを支持するかどうかを評価すること。

提案手法

• 既知の銀河系外源に基づく、保守的な銀河系外宇宙線密度の推定を仮定する。
• 銀河系外宇宙線が磁場によって銀河系内体積に閉じ込められる「フラックストラッピング」という概念を導入する。
• 銀河間磁場とその銀河系磁場との相互作用をモデル化し、トラッピング効率を推定する。
• 観測された宇宙線エネルギースペクトルを制約条件として、モデルがデータと整合することを検証する。
• 伝搬理論を用いて、閉じ込められた銀河系外粒子がどのように局所スペクトルを再現するかをシミュレートする。
• このシナリオ下でのマゼラン雲からの期待されるガンマ線フラックスを評価し、観測可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系外宇宙線が銀河系内閉じ込め体積にトラップされ、バリオン宇宙線の局所的フラックスを説明できるか？
• RQ2 「アングル」が銀河系外フラックストラッピングモデルから自然に生じるか？
• RQ3 マゼラン雲からのガンマ線放射は、銀河系外と銀河系内宇宙線起源を区別するための妥当なテストか？
• RQ4 銀河系外バリオン宇宙線と銀河系内電子加速を仮定したモデルが、観測された宇宙線スペクトルを再現できるか？
• RQ5 最近の観測的データは、宇宙線の二重起源モデルにどのような含意をもたらすか？

主な発見

• 保守的な銀河系外源からの予想される銀河間宇宙線密度は、局所的に観測された宇宙線フラックスを説明するのに適切なオーダーである。
• 「アングル」はフラックストラッピング機構の結果として自然に出現する。
• モデルは観測された宇宙線エネルギースペクトルと整合しており、銀河系内伝搬理論の成功を保ち続ける。
• マゼラン雲からのガンマ線フラックスは、このシナリオにおいて銀河系外と銀河系内起源を区別するための適切なテストベッドとはならない。
• 最近の観測的証拠は、バリオン宇宙線が主に銀河系外で、電子は銀河系内超新星残骸で加速されているという二重起源モデルを支持する傾向にある。