[論文レビュー] Inhomogeneity in the Supernova Remnants as a Natural Explanation of the PAMELA/ATIC Observations

Tsvi Piran, Nir J. Shaviv+1 more|ArXiv.org|May 6, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ミルキーウェイの Spiral Arms における超新星残骸（SNRs）の非一様分布が、新しい物理を仮定せずに、PAMELA および ATIC の宇宙線異常を自然に説明できることを提案する。局所的かつ近距離の SNRs からの電子および陽電子の伝搬をモデル化することで、エネルギー依存性のある冷却および拡산が、~10 GeV 以上で増加する陽電子/電子比を生じさせることを示している。これは PAMELA のデータと一致する。一方、電子スペクトルは、ギミングァやモノゲム・リングなどの近接 SNRs の寄与によって、~600 GeV 付近にピークを持つ。

ABSTRACT

Recent measurements of the positron/electron ratio in the cosmic ray (CR) flux exhibits an apparent anomaly, whereby this ratio increases between 10 and 100 GeV. In contrast, this ratio should decrease according to the standard scenario, in which CR positrons are secondaries formed by hadronic interactions between the primary CR protons and the interstellar medium (ISM). The positron excess is therefore interpreted as evidence for either an annihilation/decay of weakly interacting massive particles, or for a direct astrophysical source of pairs. The common feature of all proposed models is that they invoke new physics or new astrophysical sources. However, this line of argumentation relies implicitly on the assumption of a relatively homogeneous CR source distribution. Inhomogeneity of CR sources on a scale of order a kpc, can naturally explain this anomaly. If the nearest major CR source is about a kpc away, then low energy electrons (~GeV) can easily reach us. At higher energies (> 10 GeV), the source electrons cool via synchrotron and inverse-Compton before reaching the solar vicinity. Pairs formed in the local vicinity through the proton/ISM interactions can reach the solar system also at high energies, thus increasing the positron/electron ratio. A natural origin of source inhomogeneity is the strong concentration of supernovae to the galactic spiral arms. Assuming supernova remnants (SNRs) as the sole primary source of CRs, and taking into account their concentration near the galactic spiral arms, we consistently predict the observed positron fraction between 1 and 100 GeV, while abiding to different constraints such as the observed electron spectrum and the CRs cosmogenic age. An ATIC like spectral excess at ~600 GeV can be explained, in this picture, as the contribution of a few known nearby SNRs.

研究の動機と目的

• 7 GeV 以上で増加する陽電子/電子比という PAMELA 異常を、ダークマターも新しい天体物理学的源も仮定せずに説明すること。
• ~600 GeV 付近で観測された ATIC の電子スペクトルの過剰を、近接 SNRs の寄与として説明すること。
• 伝搬モデルにおける宇宙線源分布の均一性という標準的仮定に疑問を呈すること。
• スパイラルアームにおける非一様な SNR 分布が、陽電子比と電子スペクトル両方の異常を再現できることを示すこと。
• 未知の物理を避けるために、既知の銀河的構造からの伝搬効果によって、両異常を統一的に説明すること。

提案手法

• 銀河を有限なディスク高さ $ l_H \sim 1 $ kpc とし、拡散係数 $ D(E) \propto E^\beta $ を一定と仮定する 2D スラブモデルを用いる。
• 解析的拡散方程式を用いて、距離 $ d \approx 1 $ kpc の一様な源からの電子および陽電子フラックスを計算し、シンクロtronおよび逆コンプトン冷却を考慮する。
• 陽電子/電子比が減少から増加に転じる臨界エネルギー $ E_b \approx 10 $ GeV を、$ \tau_c(E_b) \approx \min\{ \tau_x(E_b), (\tau_e \tau_x)^{1/2} \} $ をもとに導出する。
• ギミングァ、モノゲム、サイクリック・ループなどの複数の近接 SNRs の寄与を含め、~600 GeV 付近の電子スペクトルの盛り上がりをモデル化する。
• CR の宇宙的年齢を $ a(E_b) \gtrsim \tau $ として計算し、観測値と整合する。
• 太陽のモodulation 効果（200–1200 MV）を含めた PAMELA、ATIC、HESS、Fermi データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ~10 GeV 以上の陽電子/電子比の上昇は、新物理を仮定せず、標準的な宇宙線伝搬によって説明可能か？
• RQ2 ATIC が観測した ~600 GeV 付近の電子スペクトルの盛り上がりは、ダークマター信号ではなく、近接 SNRs の寄与によるものか？
• RQ3 特にスパイラルアームにおける SNRs の非一様な分布が、陽電子分率のエネルギー依存性にどのように影響するか？
• RQ4 既知の SNR の位置と標準的な伝搬物理学のみを用いて、観測された電子スペクトルと陽電子比を同時に再現可能か？
• RQ5 この非一様モデルにおいて、100 GeV 以上のエネルギー領域での陽電子分率のエネルギー依存性は何か？また、主源モデルとはどのように異なるか？

主な発見

• このモデルは、サジタリウス・カリーナのスパイラルアームに位置する約 1 kpc 離れの近接 SNRs からの冷却および拡散効果に起因するものとして、PAMELA が観測した ~10 GeV 以上の陽電子/電子比の増加を再現している。
• ギミングァ、モノゲム・リング、ループ I などの近接 SNRs の寄与により、電子スペクトルに ~600 GeV 付近の盛り上がりが現れ、ATIC の過剰と一致する。
• 1 GeV/核子の宇宙線の宇宙的年齢は予測で約 14 Myr であり、観測値と整合する。
• 陽電子分率は、冷却のため ~100 GeV で減少するが、ATIC ピーク (~600 GeV) 付近で再び上昇する。これは、主源モデルが予測する継続的上昇とは対照的である。
• このモデルは、既知の SNR の位置からの伝搬効果によって、PAMELA 異常と ATIC 異常の両方を説明でき、ダークマターも新しい天体物理学的源も不要である。
• 数 TeV 以上のエネルギー領域では、二次的陽電子の正規化値が低エネルギー領域と比べて約 10 倍低くなると予測され、これは局所的バブル内での生成が必要であるため、検証可能な予測である。