[論文レビュー] From Observations near the Earth to the Local Interstellar Spectra

S. Della Torre, M. Gervasi+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2016

History and Developments in Astronomy参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ガリレオプロップ（GALPROP）を用いた銀河系内伝搬とヘルモッド（HelMod）を用いた太陽系磁気圏モジュレーションを組み合わせ、太陽活動周期にわたるボイジャー1号の低エネルギー測定値およびAMS-02/PAMELA/CREAMの高エネルギー測定値に一致するように校正した、宇宙線陽子およびヘリウムの自己整合的局所宇宙空間スペクトル（LIS）を提示する。得られたLISは、高・低太陽活動レベルの両方におけるモジュレートスペクトルを正確に再現でき、宇宙線伝搬モデルにおける不確実性を顕著に低減する。

ABSTRACT

Propagation of cosmic rays (CRs) from their sources to the observer is described mainly as plain diffusion at high energies, while at lower energies there are other physical processes involved, both in the interstellar space and in the heliosphere. The latter was a subject of considerable uncertainty until recently. New data obtained by several CR missions can be used to and the local interstellar spectra (LIS) of CR species that would significantly reduce the uncertainties associated with the heliospheric propagation. In this paper we present the LIS of CR protons and helium outside the heliospheric boundary. The proposed LIS are tuned to accommodate both, the low energy CR spectra measured by Voyager 1, and the high energy observations publicly released by BESS, Pamela, AMS-01 and AMS-02. The proton and helium LIS are derived by combining CR propagation in the Galaxy, as described by GALPROP, with the heliospheric modulation computed using the HelMod Monte Carlo Tool. The proposed LIS are tuned to reproduce the modulated spectra for both, high and low, levels of solar activity.

研究の動機と目的

• 陽子およびヘリウムの整合的局所宇宙空間スペクトル（LIS）を導出することで、宇宙線伝搬モデルの不確実性を低減すること。
• ボイジャー1号の低エネルギー宇宙空間スペクトルと、AMS-02、BESS、パメラの高エネルギー観測結果を一致させること。
• 高・低太陽活動状態の両方をカバーする、変動する太陽活動レベルにおけるモジュレートスペクトルを再現できる統合モデルの構築。
• 太陽系磁気圏モジュレーションおよび銀河系内伝搬における恣意的仮定に依存しない、物理的に妥当なLISを提供すること。

提案手法

• GALPROPコードを用いて、2次元銀河系モデルにおける拡산、力学的対流、再加速を含む銀河系内宇宙線伝搬をモデル化する。
• HelModモンテカルロツールを用いて、太陽活動最小期における磁気ドリフト効果と、太陽活動最大期におけるドリフト抑制を含む太陽系磁気圏モジュレーションをシミュレートする。
• AMS-02、PAMELA、CREAM-Iのデータを観測的制約条件として用い、GALPROPおよびHelModのパラメータを校正するため、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）アプローチを適用する。
• 陽子およびヘリウムの注入スペクトルに、2つのブレークを持つべきべき乗法則を組み込み、CREAM-Iデータに合わせて追加の高エネルギー領域のブレークを調整する。
• 低（1997–1998年、2006–2010年）および高（2000–2002年、2011–2013年）太陽活動期間を含む、異なる太陽活動レベルにおけるスペクトルを同時にフィットするフレームワークを構築する。
• 陽子およびヘリウムの両方に対して、12パラメータの関数形を用いた解析的フィットをLISに提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギーのボイジャー1号測定値と高エネルギーの地球基準観測結果を両方満たす、陽子およびヘリウムの最も正確な局所宇宙空間スペクトルは何か？
• RQ2 銀河系内伝搬と太陽系磁気圏モジュレーションを、太陽周期全体にわたり一貫してモデル化することで、宇宙線スペクトルの不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 銀河系内での拡散、対流、再加速に加え、磁気ドリフトおよび太陽モジュレーションが、観測されたモジュレートスペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 1つのLISモデルが、高・低太陽活動期を含むさまざまな太陽活動状態下でのスペクトルを同時に再現できるか？

主な発見

• 導出された陽子およびヘリウムの局所宇宙空間スペクトルは、高・低太陽活動期間中のAMS-02が測定したモジュレートスペクトルを高い精度で再現する。
• モデルはAMS-02およびCREAM-Iが観測した高エネルギー領域におけるスペクトルの平坦化を成功裏に再現しており、2ブレークを持つべきべき乗法則の注入スペクトルが必要であることを示唆している。
• MCMCスキャンからの最良適合パラメータは、銀河系ハロー半幅4.0 kpc、拡散係数正規化値4.3×10²⁸ cm²/s、スペクトル指数δ=0.39を示す。
• 対流および再加速の導入が不可欠であり、単純な拡散モデルはデータによって除外される。
• 5桁のエネルギー範囲にわたり1–2%の精度で一致を達成しており、高い数値的精度を示している。
• 陽子およびヘリウムの両方に対して、12パラメータの解析的フィットを提供しており、天体物理学的および宇宙論的モデルへの直接的利用が可能である。