[論文レビュー] Cosmic Rays I.: The cosmic ray spectrum between 10 TeV and 3 EeV

Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、10 TeV から 3 EeV の宇宙線スペクトルについて理論を提示し、超新星残骸の衝撃波前端におけるエネルギー依存性のある粒子分離がスペクトルの膝に起因することを主張する。前膝スペクトルは E⁻⁸/³、後膝スペクトルは E⁻³ と説明され、垂直方向の平均自由行程がエネルギーに依存しない速い対流運動に基づくもので、空気シャワー観測データとの一致が成功裏に確認されている。

ABSTRACT

I develop a theory to account for the cosmic ray spectrum. The essential assumption is that, due to fast convective motions, the free mean path perpendicular to the magnetic field is independent of energy and has the scale of the thickness of the shocked layer. I use the basic concept, that the energetic Cosmic Ray particles are accelerated in a Supernova shock that travels down a stellar wind. Discussion gives a knee energy expression, which leads to a suggestion on the physical origin of the mechanical energy of Supernova explosions, the gravitational potential energy mediated by the angular momentum and the magnetic field. The spectrum below the knee is $E^{-8/3}$. At the knee the particles segregate with particle energy according to their charge. The spectrum beyond the knee is very close to $E^{-3}$. The theory has been checked successfully against air shower data in two subsequent papers (Stanev, Biermann, Gaisser, 1992 preprint; Rachen, Stanev, Biermann, 1992 preprint).

研究の動機と目的

• 10 TeV から 3 EeV の間の観測された宇宙線スペクトル、特に「膝」として知られる特徴を説明すること。
• 膝より下で E⁻⁸/³ であるスペクトル指数から、膝より上で E⁻³ に変化する理由を説明すること。
• 超新星爆発の力学的エネルギー源が、角運動量と磁場を介して重力ポテンシャルエネルギーにどのように関連しているかを説明すること。
• 対流運動を伴う星風環境における衝撃加速に基づく理論的枠組みを構築すること。
• Stanev, Biermann, Gaisser (1992) および Rachen, Stanev, Biermann (1992) の二つの後続プレプリントからの空気シャワー観測データと、モデルを照合すること。

提案手法

• 超新星残骸の衝撃層における速い対流運動を仮定し、粒子エネルギーに依存しない垂直方向の平均自由行程を導く。
• 星風を通過する衝撃波における宇宙線加速をモデル化し、平均自由行程の特徴的スケールとして衝撃波の厚さを用いる。
• 衝撃波におけるエネルギー依存性のある粒子分離の概念を適用し、高エネルギー粒子がその電荷に応じて流れから分離することを仮定する。
• 垂直方向の平均自由行程がエネルギーに依存しないという仮定に基づき、前膝スペクトルを E⁻⁸/³ として導出する。
• 高エネルギー領域における拡散的衝撃加速の優位性により、後膝スペクトルが E⁻³ に近づくことが導かれる。
• 二つの後続プレプリントからの空気シャワー観測データと照合し、膝領域におけるスペクトル形状の理論的予測が妥当であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 TeV から 3 EeV の宇宙線スペクトルにおける膝の物理的メカニズムは何か？
• RQ2 なぜスペクトル指数が膝より下で E⁻⁸/³ から、膝より上で E⁻³ に変化するのか？
• RQ3 衝撃層における対流運動が、宇宙線の拡散およびエネルギー依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 超新星爆発の力学的エネルギーの起源は何か？ そして角運動量と磁場とどのように関連しているか？
• RQ5 理論的スペクトルは、観測された空気シャワーデータと照合可能か？

主な発見

• 前膝スペクトルは、10 TeV から約 3000 TeV のエネルギー範囲で観測と整合する E⁻⁸/³ に従うと予測される。
• 後膝スペクトルは E⁻³ に非常に近く、超高エネルギー領域におけるスペクトルの硬化と一致する。
• 膝エネルギーは、衝撃波の性質と粒子の電荷に依存する理論的式から導出され、衝撃波前端におけるエネルギー依存性のある分離を示している。
• モデルは、角運動量と磁場によって調整される重力ポテンシャルエネルギーを介して、超新星爆発の力学的エネルギーを説明している。
• 二つの追従プレプリントからの空気シャワー観測データと照合され、膝領域における理論的スペクトル形状が確認された。
• 衝撃層の厚さによって決定されるエネルギーに依存しない垂直方向の平均自由行程という仮定が、観測されたスペクトルを再現する上で中心的な役割を果たしている。