[論文レビュー] Are 10 EeV cosmic rays extragalactic? Theory of cosmic ray diffusion at high energy

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、10 EeV 宇宙線における観測されたダイポール非等方性—以前は銀河間起源の証拠と解釈されてきた—が、湍流した銀河磁場内での中程度質量核（Z=7）の銀河内拡散によって生じる可能性を提案する。理論的モデリングと数値シミュレーションを用いて、磁気レンズ効果がダイポール非等方性を銀河中心からずらす一方で、同程度の大きさの四重極非等方性を予測することを示し、このようなダイポール方向が銀河間起源を示すという仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

Auger Collaboration has reported a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 EeV. The dipole direction, at 125$^\circ$ from the Galactic center, is taken as an indication of an extragalactic origin of these cosmic rays. We show, both theoretically and by direct numerical simulations, that this is not necessarily true. Intermediate mass nuclei originating in the Galaxy and diffusing in the Galactic magnetic field can have a dipole anisotropy pointing away from the Galactic center. Our theory predicts a quadrupole anisotropy of the same order of magnitude as the dipole.

研究の動機と目的

• 8 EeV 以上の宇宙線における観測された大規模ダイポール非等方性が、銀河間起源ではなく銀河内拡散によって説明可能かどうかを調査すること。
• 高エネルギーにおける磁場のコherenec長とラーマー半径が、宇宙線非等方性をどのように形作るかを検討すること。
• 銀河磁場内を拡散する中程度質量の宇宙線（Z=7）が、磁気レンズ効果によって銀河中心から遠ざかったように見えるダイポール非等方性を生じるかどうかを検証すること。
• 銀河内拡散から予測される四重極非等方性の大きさを予測し、観測されたダイポールと比較すること。
• 特に、潜在的銀河源の全放射光度と時間スケールに関して、宇宙線源モデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• ラーマー半径 ρ ≫ コherenec長 rc の場合に有効な、高エネルギー宇宙線拡散の理論的枠組みを構築し、拡散係数 D ∼ cρ²/rc を用いる。
• ダイポール非等方性を d ∼ ρ²/(rcR) として導出し、ダイポールのずれ角を χ ∼ rc/ρ と定式化する。ここで R は銀河のサイズを表す。
• 銀河磁場を 300 個のフーリエ調和成分の和としてモデル化し、位相と方向をランダムに設定することで、k⁻¹ = 0.1 kpc、B = 10 μG のガウス分布、等方的、パリティ不変のソリノイダル場を再現する。
• 100 個の観測点（r = 8 kpc, z = 0）において、各観測点ごとに 30,000 個の宇宙線軌道を直接数値シミュレーションし、源領域内（r < 5 kpc, |z| < 1 kpc）に滞在した時間を重みづけた。
• シミュレーションされた到達方向から、ダイポールベクトル d = −3⟨v⟩p および四重極テンソル Qij = 3⟨vivj⟩p − δij を計算し、非等方性の定量的評価を行う。
• 観測点ごとの結果を平均化して統計的モーメントを算出し、⟨d²⟩¹ᐟ² = 0.26、⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12 を得ており、そのうち 23% のダイポールが銀河中心から 90° 以上離れていることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 EeV 宇宙線における観測されたダイポール非等方性（銀河中心から離れている）は、中程度質量核の銀河内拡散によって説明可能か？
• RQ2 銀河内宇宙線拡散から予測される四重極非等方性の大きさはどの程度で、観測されたダイポールと比較してどうなるか？
• RQ3 湍流した銀河磁場内での磁気レンズ効果が、局所的なダイポール非等方性をどの程度銀河中心からずらすことができるか？
• RQ4 理論的に予測されるダイポール非等方性の大きさは 10% 以下であり、観測された 6.5% の振幅と整合的か？
• RQ5 全放射光度 ∼3×10⁴¹ erg/s の 8 EeV 宇宙線（Z=7）の銀河源が、強い偏光を受けても検出可能な非等方性を生じるか？

主な発見

• 理論的ダイポール非等方性は d ∼ ρ²/(rcR) と予測され、ρ ∼ 0.1–1 kpc、rc ∼ 0.1–1 kpc の条件下で d ∼ 0.01–0.3 となり、観測された 6.5% の振幅と整合的である。
• 数値シミュレーションでは、rms ダイポール振幅が 26% に達するが、これは観測された 6.5% よりも大きい。これは、観測された宇宙線の約 20% が銀河内由来であるだけで信号を説明可能であることを示唆する。
• 23% の観測点でダイポールが銀河中心から 90° 以上離れていることが確認され、磁気レンズ効果が非等方性の方向を顕著にずらす可能性を示している。
• 四重極非等方性は約 12%（⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12）と予測され、ダイポール振幅のおよそ半分であり、統計的精度が向上すれば測定可能である可能性がある。
• 理論は、ダイポールと四重極非等方性が同程度のオーダーであることを予測しており、Q ∼ ρ/R ≪ d かつ d ∼ ρ²/(rcR) であることから、湍流した場における拡散の自然な結果であると確認している。
• 結果として、観測されたダイポール非等方性が必ずしも銀河間起源を示すものではないことが示唆され、銀河内拡散に伴う磁気レンズ効果が同様の方向的パターンを生成可能である。