[論文レビュー] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, I. Contribution from hot spots in FR-II galaxies

Joerg P. Rachen, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、第一種フェルミ加速を経て、FR-II電波銀河のホットスポットが銀河間超高エネルギー宇宙線（UHECR）の有効な源である可能性を提案する。電波〜可視光観測からの物理的制約と、宇宙マイクロ波背景を通過する陽子輸送のモデル化を用いて、0.1〜1 EeVのエネルギー範囲で観測データと一致するフラックスおよびスペクトルを導出し、このエネルギー領域における観測された宇宙線スペクトルを説明する基盤的モデルを提供する。

ABSTRACT

We consider the hot spots in FR-II galaxies as sites of first order Fermi acceleration of protons to the highest energies observed in cosmic rays. We estimate the attainable maximum energy in the hot spot region allowed by the canonical physical conditions, which are found from radio-to-optical observations (Meisenheimer et al. 1989, A&A). We calculate observable the proton flux and spectrum from this sources, using all knowledge about source distibution (Peacock 1985, MNRAS) and particle transport in the microwave background (Berezinsky and Grigor'eva 1988, A&A). We get excellent agreement with the cosmic ray data points at ultra high energies. THIS PAPER GIVES THE FUNDAMENTAL MODEL FOR THE EXPLANATION OF THE NEW AIR SHOWER DATA OF THE PROTON COMPONENT OF THE COSMIC RAY SPECTRUM BETWEEN 0.1 AND 1 EeV (Gaisser et al. 1992, Phys. Rev. D in press, Stanev et al. 1992, A&A submitted), which is subject of a subsequent paper (part II, Rachen and Biermann 1992, A&A submitted).

研究の動機と目的

• ホットスポットが第一種フェルミ加速を経て、超高エネルギー宇宙線（UHECR）を生成できるかどうかを調査すること。
• 電波〜可視光観測から得られる多波長観測による標準的物理的条件のもとで、これらのホットスポット内で達成可能な陽子エネルギーの上限を推定すること。
• 源の分布と伝搬効果を考慮して、これらの源からの観測可能な陽子フラックスおよびエネルギースペクトルを計算すること。
• 本研究の時点ですでに発表された最新のUHECRデータ（0.1–1 EeV範囲）と照らし合わせて、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• FR-II銀河のホットスポットの相対論的衝撃領域における第一種フェルミ加速をモデル化する。
• 最大陽子エネルギーは、電波〜可視光観測から得られる物理的条件（Meisenheimer et al. 1989）によって制約される。
• 源の分布は、Peacock (1985) の等光度関数を用いてモデル化され、宇宙的体積および源密度を考慮する。
• 宇宙マイクロ波背景を通過する陽子輸送は、BerezinskyおよびGrigor’eva (1988) のエネルギー損失規定を用いてモデル化され、光子-パイオン生成および光子-パイオン生成を含む。
• 得られたフラックスおよびスペクトルは、源の赤方偏移およびエネルギー損失を統合して計算され、観測データと比較される。
• モデルは等方的放射を仮定し、衝撃速度、磁場、電子-陽子エネルギー比の標準的宇宙物理学的パラメータを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FR-II電波銀河のホットスポットは、第一種フェルミ加速を経て、1 EeVまでのエネルギーを持つ陽子を生成できるか？
• RQ2 観測された物理的条件のもとで、これらのホットスポット環境で達成可能な陽子エネルギーの上限は何か？
• RQ3 FR-IIホットスポットからの予測される陽子フラックスおよびスペクトルは、0.1〜1 EeVの観測されたUHECRスペクトルとどのように一致するか？
• RQ4 宇宙マイクロ波背景との相互作用によるエネルギー損失は、地球での検出可能なフラックスにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 本モデルは、0.1–1 EeV範囲における新しい空気シャワー観測データ（陽子成分）を一貫して説明できるか？

主な発見

• モデルは、0.1〜1 EeVの観測された超高エネルギー宇宙線データと優れた一致を示す陽子フラックスおよびエネルギースペクトルを予測する。
• 電波および可視光データからの物理的制約を踏まえると、FR-IIホットスポットで達成可能な最大陽子エネルギーは、観測されたUHECRカットオフ（約1 EeV）と整合的である。
• 宇宙マイクロ波背景との相互作用によるエネルギー損失は顕著であるが、地球での検出可能なフラックスの生成を妨げはしない。
• 計算されたスペクトルは、観測データの形状および正規化と一致し、ホットスポットモデルがUHECR陽子成分の有効な源である可能性を支持する。
• 本モデルは、1992年の空気シャワー観測データを一貫して説明でき、シリーズ第二部におけるその後の分析の基盤を形成する。