[論文レビュー] Galactic gamma-ray bursters - an alternative source of cosmic rays at all energies

Arnon Dar, R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、中性星の形成または崩壊に起因する高相対論的かつ細い指向性を持つジェットである銀河系内ガンマ線バースト（GRB）イベントが、銀河のハローで宇宙線を加速することで、あらゆるエネルギー範囲の宇宙線の起源を説明している。このモデルは、グライゼン＝ツァツェピン＝クズミン切断の欠如と宇宙線スペクトルの「アンクル」を自然に説明し、高エネルギー領域における宇宙線の等方性および弱い銀河中心勾配をも説明する。

ABSTRACT

We propose a new hypothesis for the origin of the major part of non-solar hadronic cosmic rays (CRs) at all energies: highly relativistic, narrowly collimated jets from the birth or collapse of neutron stars (NSs) in our Galaxy accelerate ambient disk and halo matter to CR energies and disperse it in hot spots which they form when they stop in the Galactic halo. Such events are seen as cosmological gamma-ray bursts (GRBs) in other galaxies when their beamed radiation happens to point towards Earth. This source of CRs is located in the Galactic halo. It therefore explains the absence of the Greisen-Zatsepin-Kuz'min cutoff in the spectrum of the ultra-high energy CRs. The position in energy of the ``ankle'' in the CR energy spectrum is shown to arise in a natural way. Moreover, an origin of lower energy CRs in the Galactic halo naturally accounts for the high degree of isotropy of CRs around 100 TeV from airshower observations, and the small galactocentric gradient of low-energy CRs derived from gamma-ray observations.

研究の動機と目的

• あらゆるエネルギー範囲における太陽系外のハドロン的宇宙線の起源を説明すること。
• 超高エネルギー宇宙線において期待されるエネルギー損失を考慮した場合に、グライゼン＝ツァツェピン＝クズミン切断が観測されないという謎を解明すること。
• 約100 TeVにおける宇宙線の観測された等方性と、低エネルギー宇宙線分布における弱い銀河中心勾配を説明すること。
• 銀河ハロー内でのGRBと宇宙線生成を結びつける統一的天体物理学的メカニズムを提唱すること。

提案手法

• 銀河ハロー内における中性星の生成または崩壊に起因する高相対論的かつ細い指向性を持つジェットのモデル化。
• ジェットのハロー中での伝播とエネルギー損失をシミュレートし、停止時に高温スポットを形成することを検証。
• 地球から観測する場合に、このようなイベントが宇宙論的GRBとして見えるように、ビーム効果を適用すること。
• エネルギー依存の粒子加速および拡산モデルを用いて、宇宙線スペクトルを予測すること。
• 理論的スペクトルと観測された特徴（例：「アンクル」および100 TeVにおける等方性）を一致させること。
• ガンマ線観測を用いて、低エネルギー宇宙線の空間的分布およびエネルギー勾配を制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系内ガンマ線バーストイベントは、超高エネルギーを含むあらゆるエネルギー範囲の宇宙線の起源を説明できるか？
• RQ2 宇宙論的距離を越えてエネルギー損失が予想されるにもかかわらず、なぜ宇宙線スペクトルにグライゼン＝ツァツェピン＝クズミン切断が観測されないのか？
• RQ3 局所的源から起因する宇宙線が100 TeV近辺で高い等方性を示すのはなぜか？
• RQ4 銀河ハロー内での物理的メカニズムが、なぜ宇宙線エネルギースペクトルに「アンクル」特徴を自然に生じさせるのか？
• RQ5 低エネルギー宇宙線の銀河中心勾配が、ディスク源からの予想よりも小さいのはなぜか？

主な発見

• 超高エネルギー宇宙線の源を銀河ハローに置くことで、エネルギー損失が最小限に抑えられることから、グライゼン＝ツァツェピン＝クズミン切断が観測されないことを説明できる。
• 「アンクル」の位置は、ハロー内での相対論的ジェットのエネルギー依存的伝播および停止に起因して自然に生じる。
• 約100 TeVにおける宇宙線の高い等方性は、ハロー内に分布する源のおかげで方向性の非等方性が平均化されるため説明できる。
• 低エネルギー宇宙線の小さな銀河中心勾配は、源が拡張したハローに起因するため説明可能であり、ガンマ線観測と整合的である。
• このモデルは、中性星の形成または崩壊に起因する相対論的ジェットという単一の天体物理学的メカニズムにより、高エネルギーおよび低エネルギー宇宙線の両方を統一的に説明する。
• 観測された宇宙論的GRBは、これらの同じ銀河系内イベントのビーム化された地球指向視点として解釈され、GRBと宇宙線の起源を結びつける。