[論文レビュー] Cosmic Rays VII. Individual element spectra: prediction and data

B. Wiebel‐Sooth, Peter L. Biermann+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 1997

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、超新星駆動の衝撃波加速と破砕反応に基づくモデルを用いて、個々の宇宙線元素スペクトルを予測・比較している。水素およびヘリウム／水素様核は、それぞれE^{-2.75±0.04}およびE^{-2.67±0.04}のべき乗則スペクトルに従い、高エネルギー領域（E > 10Z GeV）でのモデル予測と観測データの間に良好な一致が得られ、超新星残骸内での源関連の破砕反応を支持する。

ABSTRACT

Based on the earlier papers in this series, we discuss here the errors in the prediction of the model, and compare with the error ranges in the spectra for individual elements. The predictions are spectra of $E^{-2.75 \pm 0.04}$ for hydrogen, and $E^{-2.67 -0.02 \pm 0.02}$ for helium and heavier elements below the knee. For particle energies above $10 Z$ GeV the data give $E^{-2.77 \pm 0.02}$ for hydrogen and $E^{-2.64 \pm 0.02}$ for helium and similar values for all heavier elements combined, where $Z$ is the charge of the nucleus considered. At the higher energy range considered here the secondary elements Li, Be, and B as well as the sub-Fe group have spectra consistent with source-related spallation, such as occurs when a supernova driven explosions runs into a shell around the wind of the predecessor star.

研究の動機と目的

• 個々の宇宙線元素スペクトルの理論的予測の正確さを評価すること。
• 宇宙線の伝播および注入スペクトルにおけるモデルの不確実性を評価すること。
• リチウム、ベリリウム、ボロン、および亜鉄元素の観測スペクトルが超新星残骸内の破砕反応と整合するかどうかを検証すること。
• 宇宙線エネルギースペクトルの膝領域以上におけるモデル予測のべき乗則指数を観測データと比較すること。
• 二次的元素生成が超新星駆動の衝撃波モデルと整合するかどうかを検討すること。

提案手法

• 超新星残骸に基づく宇宙線加速および伝播の理論的モデルを用いる。
• 衝撃波加速および破砕反応プロセスから導かれる指数を用いたべき乗則エネルギースペクトルを適用する。
• 理論的予測スペクトル（水素に対してE^{-2.75±0.04}、ヘリウムおよびそれ以上の元素に対してE^{-2.67±0.04}）を観測データと比較する。
• 高エネルギー領域（E > 10Z GeV）のデータを分析し、モデル予測と測定された指数値の整合性を検証する。
• リチウム、ベリリウム、ボロン、および亜鉄群のスペクトルが源関連の破砕反応機構と整合するかどうかを評価する。
• 統計的比較のため、モデル予測と観測データの両方に誤差範囲を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の宇宙線元素スペクトルの理論的予測が観測データとどの程度一致するか？
• RQ2 水素、ヘリウム、およびそれ以上の重元素のスペクトルのエネルギー依存性は、10Z GeV以上でどうなっているか？
• RQ3 リチウム、ベリリウム、ボロンなどの二次的元素のスペクトルは、超新星駆動の衝撃波における破砕反応と整合するか？
• RQ4 モデル予測の不確実性と観測誤差範囲の間にはどのような差があるか？
• RQ5 宇宙線元素の観測されたべき乗則指数は、風-殻構造の相互作用を伴う超新星起源を支持するか？

主な発見

• モデルは、研究されたエネルギー範囲全域で水素に対してE^{-2.75±0.04}のべき乗則スペクトルを予測する。
• ヘリウムおよびそれ以上の元素に関しては、宇宙線スペクトルの膝より下でE^{-2.67±0.04}のスペクトルを予測する。
• 10Z GeV以上のエネルギー領域では、観測データから水素に対してE^{-2.77±0.02}、ヘリウムおよびそれ以上の元素を合わせたものに対してE^{-2.64±0.02}が得られた。
• モデル予測と観測データの間の一致は、提示された誤差範囲内にあり、モデルの妥当性を支持する。
• リチウム、ベリリウム、ボロン、および亜鉄群のスペクトルは、超新星残骸内の源関連の破砕反応と整合する。
• 結果は、超新星駆動の衝撃波が周囲星間物質の殻と相互作用することで二次核が生成されるというシナリオを支持する。