[論文レビュー] Cosmic ray spectral hardening due to dispersion of source injection spectra

Qiang Yuan, Bing Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、超新星残骸などの源の集団から生じる注入スペクトルの重ね合わせが、約200 GVの剛性において宇宙線スペクトルの硬化を引き起こすものと提案している。この源のスペクトル指数の分散が、観測されたスペクトルの硬化を自然に生じさせ、PAMELA、CREAM、ATICのデータと一致する。また、超高エネルギー宇宙線におけるアングル・GZK構造に対しても、GZK吸収以外の代替的説明を提供する。

ABSTRACT

The cosmic ray (CR) energy spectra measured with ATIC, CREAM and PAMELA showed that there is remarkable hardening for rigidity of several hundred GV. We propose that this hardening is due to the superposition of spectra from a population of sources, e.g., supernova remnants (SNRs), whose injection spectral indices have a dispersion. Adopting proper model parameters the observational data can be well explained. It is interesting that the injection source parameters are similar with that derived from gamma-ray observations of SNRs, which may support the SNR-origin of CRs. Furthermore this mechanism provides an alternative explanation of the "ankle-cutoff" structure of the ultra high energy CR spectra.

研究の動機と目的

• 約200 GVの剛性における観測された宇宙線スペクトルの硬化を、単純なべき乗則の逸脱から説明すること。
• 陽子およびヘリウムのスペクトル指数が非一様であることを示す複数ミッションのデータ（ATIC、CREAM、PAMELA）が示す課題に対処すること。
• 複雑な加速・伝搬モデルを導入せずに、源集団の分散が硬化を説明できるかを検証すること。
• 二次粒子スペクトル（特に拡散γ線、反プロトン、陽電子）に与える影響を調査すること。
• 同じメカニズムが、超高エネルギー宇宙線におけるアングルおよびGZKカットオフの特徴を説明できるかを評価すること。

提案手法

• 各源の注入スペクトルを剛性依存のスペクトル指数をもつ折り返しべき乗則としてモデル化する。
• スペクトル指数が平均値の周りにガウス分布するものと仮定し、源の性質に内在する分散を反映する。
• 多数のこのような源のスペクトルを重ね合わせて、観測された全宇宙線スペクトルを模擬する。
• GALPROPコードを用いて、拡散的再加速を含む宇宙線伝搬をシミュレートし、太陽のモodulationは力場近似で扱う。
• 膝およびGZK特徴をモデル化するため、高エネルギー端末（指数関数的または折り返しべき乗則）を導入する。
• 二次粒子フラックス（例：ハドロン的γ線）を計算し、観測結果と比較してモデルの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約200 GVの剛性における観測された宇宙線スペクトルの硬化は、分散した源集団からのスペクトルの重ね合わせによって説明可能か？
• RQ2 源のスペクトル指数の分散が、観測された宇宙線エネルギースペクトルの形状にどのように影響を与えるか？
• RQ3 このモデルから導かれる源パラメータは、超新星残骸のγ線観測から推定された値とどの程度一致するか？
• RQ4 このメカニズムは、超高エネルギー宇宙線におけるアングルおよびGZKカットオフの特徴を説明する有効な代替説明となるか？
• RQ5 この硬化メカニズムは、拡散γ線、反プロトン、陽電子などの二次粒子スペクトルにどのような痕跡を残すか？

主な発見

• スペクトル指数が分散する注入スペクトルの重ね合わせは、約200 GVの剛性における陽子およびヘリウムスペクトルの観測された硬化をうまく再現する。
• このモデルは観測と整合するB/C比をもたらし、源スペクトルの分散にほとんど依存しない。
• 予測されるハドロン的拡散γ線フラックスは50 GeV以上で硬化を示し、特にTeV領域で顕著な効果を示す。
• 分散源集団に10^17–10^18 eVで折り返しをもつものと仮定した場合、このモデルが予測するUHECRスペクトルは、純粋な陽子成分を仮定したHiResデータと一致する。
• 得られた源パラメータ（スペクトル指数の分散および折り返し剛性）は、超新星残骸のγ線観測から推定された値と整合的である。
• このメカニズムは、UHECRが局所的または銀河系内源に起因する可能性を示唆しており、観測されたアングル・GZK構造がGZK吸収だけでなく源の分散に起因する可能性があることを示唆する。