[論文レビュー] Interactions of Cosmic Ray Nuclei

K. Mannheim, R. Schlickeiser|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 1994

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、宇宙線核の全宇宙的関連エネルギー範囲にわたるエネルギー損失に対する包括的な解析的公式を提示し、イオン化／クーロン損失からπ中間子生成への遷移に起因する約450 MeVの運動エネルギーにおける普遍的なスペクトル的折り返しを特定している。このモデルにより、完全な損失項を有する漏れ箱輸送方程式が解かれるようになり、さまざまな銀河的環境における平衡状態の宇宙線スペクトルが得られ、それらがガンマ線放射と結びつけられる。特に、中性π中間子の崩壊とブレムストラール放出によって引き起こされる宇宙ガンマ線背景における3 MeVの隆起を説明できる。

ABSTRACT

We present convenient formulae for the energy losses of energetic atomic nuclei over the entire energy range relevant to the physics of cosmic rays. Results are applied to a leaky-box equation with a complete loss term. Thereby we derive the equilibrium spectrum of cosmic rays in various types of galaxies. We emphasize a spectral break energy at 450 MeV independent of the matter density, resulting from the transition from Coulomb and ionization losses to pion production losses as the relevant cooling process for the cosmic ray nuclei . We comment on the possible cosmic ray origin of the cosmic gamma ray background.

研究の動機と目的

• 宇宙線物理学に関連する全エネルギー範囲にわたる宇宙線核のエネルギー損失に対する正確で便利な公式の導出。
• 完全な損失項を有する輸送方程式を用いて、さまざまな銀河的環境における平衡状態の宇宙線スペクトルのモデル化。
• 宇宙ガンマ線背景（CGB）の起源、特に3 MeVの隆起の解明を、宇宙線相互作用を通じて行う。
• π中間子生成と光分解が、宇宙線スペクトルおよびガンマ線放射効率に与える影響の評価。
• 活動銀河核（AGN）および宇宙線誘発プロセスが観測されたCGBスペクトルに与える寄与の評価。

提案手法

• イオン化、クーロン散乱、π中間子生成、光分解、および光子による対生成／ハドロン生成の主なエネルギー損失過程の解析的表現を導出。
• 相対論的運動論を用いて、中心系動量系における非弾性核反応の閾値エネルギーおよび断面積を決定。
• エネルギー依存性を持つ脱出時間と完全な損失項を含む漏れ箱輸送方程式を解き、すべての主要なエネルギー損失メカニズムを組み込む。
• 導出されたエネルギー損失率を用いて、ガス密度が高いか、放射場が強いなどの異なる銀河的環境における定常状態の宇宙線スペクトルを計算。
• 中性π中間子の崩壊およびブレムストラール放出に起因するガンマ線放射効率を評価し、特にCGBにおける3 MeVの隆起に注目。
• AGN寄与のCGBモデリングにおいて、相対論的ビーム効果および赤方偏移の影響を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる運動エネルギーにおける宇宙線核の主要なエネルギー損失メカニズムは何か。また、エネルギースケールにわたる遷移はどのように進行するか。
• RQ2 CGBにおける3 MeVの隆起の起源は何か。これは宇宙線相互作用によって説明可能か。
• RQ3 π中間子生成と光分解が、物質密度が異なる銀河内での平衡状態の宇宙線スペクトルにどのように影響を与えるか。
• RQ4 AGNに起因する宇宙線誘発ガンマ線放射が、100 MeV以上で観測されたCGBスペクトルをどの程度説明できるか。
• RQ5 約450 MeVにおけるスペクトル的折り返しは、銀河的環境内での全体的な宇宙線およびガンマ線スペクトルを決定づける役割を果たすか。

主な発見

• 物質密度に依存しない普遍的なスペクトル的折り返しは、イオン化およびクーロン損失からπ中間子生成損失への遷移に起因し、約450 MeVの運動エネルギーで発現する。
• 450 MeV未満ではイオン化損失が支配的であり、宇宙線スペクトルを顕著に枯渇させるとともに、星間媒体を顕著な割合で加熱する。
• 450 MeVを超える領域ではπ中間子生成が主要なエネルギー損失プロセスとなり、注入スペクトルのスペクトル指数を保持しつつ、中性π中間子の崩壊によってガンマ線を生成する。
• 宇宙線の拡散的脱出により、宇宙線スペクトルが傾き、源スペクトル指数が2の場合にガンマ線スペクトル指数が約2.5に傾斜する。
• 星間ガス密度が高くなる（n_H > 1 cm⁻³）と、70 MeV以上でガンマ線スペクトルが平坦化され、観測スペクトル形状に影響を及ぼす。
• CGBにおける3 MeVの隆起は、中性π中間子の崩壊だけでは説明できない。高赤方偏移源（z_max ≈ 24）を仮定する必要があるため、宇宙線電子のブレムストラール放出または代替メカニズムの導入が求められる。