[論文レビュー] Are there pulsars in the knee ?

A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、モンジョム・リング超新星残骸（SNR）に関連するパルサー PSR B0656+14 が、約3 PeVにおける宇宙線の膝（knee）を支配的源として果たせるかどうかを調査する。粒子放出および伝播モデルを用いて、パルサーの寄与は膝の強度に対して最大で15%にとどまり、急峻な特徴を説明するには不十分である。したがって、SNRが主な源のまま残る。パルサーが宇宙線をSNR内で89–94%の期間にわたり閉じ込められていた場合、広大な空気シャワー（EAS）データにおける「亚美尼亚ピーク」を説明できる可能性がある。

ABSTRACT

Recent findings indicate that the Monogem Ring supernova remnant and the associated pulsar PSR B0656+14 may be the 'Single Source' responsible for the formation of the sharp knee in the cosmic ray energy spectrum at $\sim$3PeV. We estimate the contribution of the pulsar B0656+14 to the cosmic rays in the PeV region and conclude that the pulsar cannot contribute more than 15% to the cosmic ray intensity at the knee. Therefore it cannot be the dominant source there and an SNR is still needed. We also examine the possibility of the pulsar giving the peak of the extensive air shower intensity observed from the region inside the Monogem Ring. The estimates of the gamma-ray flux produced by cosmic ray particles from this pulsar indicate that it can be the source of the observed peak, if the particles were confined within the SNR during a considerable fraction of its total age. We also estimate the contribution of Geminga and Vela pulsars to cosmic rays at the knee.

研究の動機と目的

• 約3 PeVにおける宇宙線エネルギースペクトルの急峻な膝を引き起こす主な要因として、PSR B0656+14 が支配的源である可能性を評価すること。
• Geminga や Vela を含む孤立パルサーが、膝エネルギー領域における宇宙線強度に果たす寄与を評価すること。
• モンジョム・リング SNR 内で観測された6σの過剰（「アーメニアンピーク」）の起源を、パルサー放出が原因である可能性を検討すること。
• SNR内での高エネルギー宇宙線の長期間の閉じ込めが、パルサーの位置とピーク位置のずれを説明できるかを検証すること。

提案手法

• 粒子放出率 $ \frac{d^2N}{dtdE} $、生存確率 $ S(t,T,E) $、粒子密度 $ \rho(t,T,R,E) $ を用いて、PSR B0656+14 からの宇宙線エネルギースペクトルをモデル化する。
• 単一源モデルを適用し、必要とされるエネルギー密度を推定し、パルサーの出力と比較する。パワーロスに正規化する。
• 宇宙線相互作用によるガンマ線フラックスを推定し、パルサーが観測されたEASピークを生成できるかを検証する。
• 閉じ込め効果を考慮した上で、パルサーの自己運動とアーメニアンピークの位置との空間的・運動的整合性を評価する。
• 拡散モデルを用いて、SNR内に閉じ込められたPeVエネルギーの宇宙線の空間的広がりを推定し、地球からの角度拡散を計算する。
• パルサーが加速する陽子と酸素核のエネルギースペクトルを、0.4 PVの剛性における観測された膝と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B0656+14 が単独で、約3 PeVにおける宇宙線の膝の支配的寄与を果たせるか？
• RQ2 放出および伝播特性を考慮した場合、パルサーが膝エネルギー領域における宇宙線強度のどの程度を占めているか？
• RQ3 モンジョム・リング SNR 内で観測されたEAS強度の6σ過剰（「アーメニアンピーク」）は、PSR B0656+14 が起源であると整合的か？
• RQ4 宇宙線がSNR内に長期間閉じ込められていた場合、パルサーとピーク位置のずれを説明できるか？
• RQ5 Geminga や Vela パルサーの寄与は、PSR B0656+14 と比較して、膝の形成にどの程度寄与しているか？

主な発見

• パルサー PSR B0656+14 は、膝における宇宙線強度に最大で15%しか寄与しない。これは支配的源として十分ではない。
• パルサーからの宇宙線エネルギー密度は $ 1.9 \times 10^{-6} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $ にとどまり、単一源モデルが要請する $ 2.24 \times 10^{-4} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $ よりも著しく低い。
• 観測されたEAS強度のピーク（「アーメニアンピーク」）は、宇宙線がSNR内でその全寿命の89–94%にわたり閉じ込められていた場合、パルサー由来と説明可能である。
• ピークはパルサーから8.5°ずれているが、PeVエネルギーの宇宙線が約100 pcの半径で拡散することでほぼ一様な球体を形成すれば、このずれは説明可能である。
• Vela パルサーは若く、最大剛性が約2.8 PVであるため、陽子を10%の効率で加速できる場合、膝に寄与できるが、その粒子はおそらくまだSNR内に閉じ込められている。
• Geminga は年老いており、最大剛性が0.19 PVであるため、鉄核を加速した場合にのみ寄与可能であり、10–20 PeVに二重の膝が存在するというモデルには余地がない。