[論文レビュー] Imprint of a 2 Myr old source on the cosmic ray anisotropy

V. Savchenko, M. Kachelrieß+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 47

ひとこと要約

本稿では、2–20 TeVの範囲における宇宙線双極子非等方性の平坦な傾向が、200万年前に発生した1つの近接した源に起因すると提案している。そのフラックス非等方性は、磁場やCRエネルギーとは無関係に、距離（約200 pc）と年齢にのみ依存する。数値的シミュレーションにより、一様で乱流のある銀河磁場が存在する場合でも、双極子非等方性δ ≈ 3R/(2cT)が成り立つことが確認され、エネルギー依存性のない平坦な傾向を自然に説明できる。また、陽電子および反陽子の増加を引き起こす局所的源と関連づけられる。

ABSTRACT

We study numerically the anisotropy of the cosmic ray (CR) flux emitted by a single source calculating the trajectories of individual CRs. We show that the contribution of a single source to the observed anisotropy is instead determined solely by the fraction the source contributes to the total CR intensity, its age and its distance,and does not depend on the CR energy at late times. Therefore the observation of a constant dipole anisotropy indicates that a single source dominates the CR flux in the corresponding energy range. A natural explanation for the plateau between 2--20 TeV observed in the CR anisotropy is thus the presence of a single, nearby source. For the source age of 2 Myr, as suggested by the explanation of the antiproton and positron data from PAMELA and AMS-02 through a local source [arXiv:astro-ph/1504.06472], we determine the source distance as $\sim 200$ pc. Combined with the contribution of the global CR sea calculated in the escape model, we can explain qualitatively the data for the dipole anisotropy. Our results suggest that the assumption of a smooth CR source distribution should be abandoned between 200 GeV and 1 PeV.

研究の動機と目的

• 2–20 TeVの範囲における観測された宇宙線双極子非等方性の平坦な傾向が、標準的な拡散伝播モデルと矛盾することを説明すること。
• その年齢と距離が与えられた場合、1つの近接源がこのエネルギー範囲で非等方性を支配できるかどうかを調査すること。
• 1つの源からの双極子非等方性が、準ガウス的拡散領域においてCRエネルギーおよび磁場構造に依存しないかどうかを検証すること。
• PAMELAおよびAMS-02が観測した反陽子および陽電子スペクトルの異常を説明する局所的源と、観測された非等方性を調和させること。
• 200 GeV–1 PeVの範囲で、宇宙線源分布が滑らかでグローバルなものであるという仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• 乱流および一様な銀河磁場内でのローレンツ方程式に従う個々の宇宙線軌道の数値的シミュレーション。
• ラーミング半径に対して小スケールの磁場揺動を解像するためのネストドグリッドの使用。
• 点源として瞬間的注入をモデル化し、1 pcから1 kpcまでの同心球面上での運動量分布を測定。
• フラックス非等方性A = (Fmax − Fmin)/(Fmax + Fmin)を計算し、強度非等方性δ = 3A/2に変換。
• 統計的不確実性を低減するため、対称領域（球対称または軸対称）における体系的な平均化。
• 一様で乱流のある磁場条件を変化させた場合の準ガウス的領域における解析式A = R/(cT)の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの近接宇宙線源が、2–20 TeVのエネルギー範囲でエネルギー依存性のない非等方性の平坦な傾向を説明できるか？
• RQ2 準ガウス的拡散領域において、1つの源からの双極子非等方性はCRエネルギーおよび磁場構造に依存しないか？
• RQ3 観測された非等方性の振幅と平坦な形状を再現するためには、どの距離と年齢が必要か？
• RQ4 支配的で局所的な源の存在が、200 GeV–1 PeVの範囲で宇宙線源分布が滑らかでグローバルなものであるという標準的仮定の妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 同じ源が、PAMELAおよびAMS-02が観測した非等方性の平坦な傾向と陽電子・反陽子フラックスの増加を両方説明できるか？

主な発見

• 1つの宇宙線源の双極子非等方性δは、準ガウス的領域においてCRエネルギーおよび磁場配置に依存せず、δ ≈ 3R/(2cT)となる。
• 源の年齢が2 Myr、距離が約200 pcの場合、予測される非等方性は2–20 TeV範囲の観測された平坦な傾向と一致する。
• 一様磁場が存在しても非等方性に影響を及ぼさず、平行な磁場線がある場合でもδ ≈ 3R/(2cT)が成り立つことが確認された。
• 観測された非等方性の平坦な傾向は、2–20 TeV範囲でフラックスを支配する1つの局所的源によって最もよく説明できる。低エネルギー域の減少は、源の寄与が減少するためである。
• このモデルは、200 GeV～1 PeVの範囲で、宇宙線源分布が滑らかでグローバルなものであるという仮定が破綻することを示唆しており、局所的源の取り扱いが必要である。
• 結果は、約200 pcの距離に200万年前に爆発した超新星残骸が、深海堆積物における60Feの過剰蓄積を引き起こしている可能性と、陽電子および反陽子異常を説明する局所的源の説明と整合的である。