[論文レビュー] Diffuse Galactic gamma rays, cosmic-ray nucleons and antiprotons

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、のちに1 GeVを超える過剰な拡散銀河ガンマ線放射の起源を、ミルキーウェイ銀河内における宇宙線核および反陽子の伝搬をモデル化することで調査している。拡散再加速、エネルギー損失、そして現実的な星間ガスおよび放射場を含む自己整合的な伝搬モデルを用いて、著者らは高エネルギー反陽子測定が星間核粒子スペクトルを診断できることを示しており、現在のデータは、数シグマの水準で、核粒子スペクトルが急峻である仮説をすでに排除している。

ABSTRACT

The excess of continuum gamma-ray emission from the Galaxy above 1 GeV is an unsolved puzzle. It may indicate that the interstellar nucleon or electron spectra are harder than local direct measurements, as could be the case if a local source of cosmic rays were to dominate the nearby flux. It is however difficult to distinguish between the two cases. Cosmic-ray secondary antiprotons provide a way to resolve this issue. We have made a calculation of the cosmic-ray secondary antiproton spectrum in our model, which computes self-consistently propagation of primary and secondary nucleons, and electrons. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields, and diffusive reacceleration is also incorporated. Our study shows that accurate measurements of the antiproton flux, especially at high energies, could provide a diagnostic of the interstellar nucleon spectrum allowing us to test the hard nucleon spectrum hypothesis. Present antiproton data above 3 GeV indicate that it can already be excluded at the few sigma level.

研究の動機と目的

• 1 GeVを超える過剰な拡散銀河ガンマ線放射の謎を解明すること。
• 観測されたガンマ線過剰が、局所的な測定とは異なり急峻な星間核粒子スペクトルに起因する、局所的な宇宙線源に起因するものかどうかを検証すること。
• 二次反陽子フラックスを星間核粒子スペクトルの診断ツールとして用いること。
• 核粒子、電子、反陽子を含む、現実的な星間環境を反映した自己整合的な宇宙線伝搬モデルの構築。

提案手法

• 一次および二次核粒子および電子を含む、自己整合的な宇宙線伝搬モデルを構築した。
• 星間ガスおよび放射場の現実的な分布を用いて、断片化およびエネルギー損失を計算した。
• 乱流状態の銀河磁場内での粒子相互作用をモデル化するため、拡散的再加速を組み込んだ。
• 一次核粒子の伝搬およびそれらの相互作用に基づき、二次反陽子スペクトルを計算した。
• 理論的予測された反陽子フラックスを観測データと比較し、急峻な核粒子スペクトル仮説を検証した。
• 星間媒体および宇宙線源の空間的分解能を考慮した取り扱いをモデルに組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GeVを超える過剰な拡散銀河ガンマ線放射は、局所で測定されたものよりも急峻な星間核粒子スペクトルによって説明可能か？
• RQ2 高エネルギー反陽子測定は、星間核粒子スペクトルの形状をどの程度制限できるか？
• RQ3 観測された反陽子フラックスは、標準的な宇宙線伝搬モデルと整合するか、それとも一次核粒子スペクトルの硬化を要するか？
• RQ4 反陽子フラックスは、ガンマ線過剰の原因として、急峻な核粒子スペクトルと急峻な電子スペクトルのどちらであるかを区別する診断ツールとして機能できるか？

主な発見

• 3 GeVを超える現在の反陽子データは、すでに数シグマの水準で急峻な核粒子スペクトル仮説を排除している。
• 二次反陽子スペクトルは、星間核粒子スペクトルの形状に極めて敏感であり、強力な診断ツールである。
• モデルは、正確な高エネルギー反陽子測定が、ガンマ線過剰の原因としての急峻な核粒子スペクトルと急峻な電子スペクトルの間の曖昧さを解消できることを示している。
• 拡散的再加速および現実的な星間ガス分布の取り入れにより、理論的反陽子フラックスと観測結果の整合性が向上した。
• 本研究は、観測された反陽子フラックスが、著しく急峻な核粒子スペクトルを生成する局所的な宇宙線源に支配される状況と整合しないことを示している。
• 現在の反陽子データに基づき、ガンマ線過剰は局所的な核粒子スペクトルの硬化に起因するものではないという考えを支持している。