[論文レビュー] Intergalactic Propagation of UHE Cosmic Rays

A. Achterberg, Yves Gallant+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、10^18.5 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の銀河間空間における伝播を、宇宙マイクロ波背景（CMB）における光子発生および対生成によるエネルギー損失と、弱い銀河間磁場による偏光を考慮して調査する。標準的な連続近似によるエネルギー損失の取り扱いはUHECRに対して不適切であることが示され、数値シミュレーションにより、確率的な相互作用レートと運動論的効果の影響で、時間遅れが顕著に生じ、スペクトルが変化することが明らかになった。

ABSTRACT

We discuss the intergalactic propagation of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) with energies E \geq 10^{18.5} eV. We consider the propagation of UHECRs under the influence of the energy-dependent deflection by a weak random magnetic field in the intergalactic medium and energy losses by photo-pion and pair production. We calculate arrival spectra taking full account of the kinematics of photo-pion production and the Poisson statistics of the photo-pion interaction rate. We give estimates for the deflection of UHECRs from the line of sight to the source, time delays with respect to photons from the same source, arrival spectra and source statistics. These estimates are confirmed by numerical simulations of the propagation in energy evolution of UHECRs. These simulations demonstrate that the often-used continuous approximation in the treatment of energy losses due to photo-pion production on the cosmic microwave background (CMWB) cannot be justified for UHECRs. We discuss the implications of these results for the observed flux of particles above the Greisen-Zatsepin-Kuz'min cut-off in two of the scenarios that have been proposed for the production of these particles: continuous production in the large shock waves associated with powerful radio galaxies, or possibly large-scale structure formation, and the impulsive production at relativistic blast waves associated with cosmological gamma-ray bursts.

研究の動機と目的

• 銀河間空間を横断するUHECR伝播に及ぼす確率的エネルギー損失および磁場による偏光の影響を理解すること。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）上での光子生成によるエネルギー損失をモデル化する際に用いられる連続近似の妥当性を評価すること。
• 運動論的制約およびポアソン分布に従う相互作用レートが到着スペクトルおよび時間遅れに与える影響を評価すること。
• 放射銀河からの連続的発光とガンマ線バーストからのインパulse的発光という2つの代表的なUHECR生成メカニズムに及ぼす影響を検討すること。
• 完全な数値シミュレーションを用いて、UHECRのフラックス、偏光角、時間遅れを正確に予測すること。

提案手法

• 光子生成によるエネルギー損失の正確な運動論的記述を用いたUHECR伝播のモデル化。
• CMB上での光子生成における相互作用レートの確率的性質をポアソン統計を用いて組み込む。
• 弱くランダムな銀河間磁場における時間依存的エネルギー損失および偏光効果を含めた伝播シミュレーション。
• 標準的な連続近似との比較を数値的シミュレーションにより行う。
• ソース統計を含めた、到着スペクトル、偏光角、時間遅れの計算。
• 解析的推定値との整合性を検証し、高エネルギー領域における連続近似の破綻を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB上での光子生成の相互作用レートにおける確率的揺らぎが、UHECRのエネルギー損失および伝播にどのように影響するか？
• RQ2 銀河間媒体内での磁場による偏光が、UHECRの到着方向にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 エネルギー損失の影響を受ける伝播過程において、UHECRと同一ソースからの光子との間の時間遅れはどの程度か？
• RQ4 UHECRのCMB上での光子生成によるエネルギー損失に対して、連続近似はどの程度正確か？
• RQ5 これらの伝播効果が、放射銀河とガンマ線バーストという2つの代表的な生成メカニズムにおける観測されるUHECRフラックスに与える影響は何か？

主な発見

• CMB上での光子生成によるエネルギー損失に対する連続近似は、UHECRに対して不適切である。確率的揺らぎが伝播ダイナミクスを顕著に変化させるためである。
• 数値的シミュレーションにより、エネルギー損失が滑らかではなく、離散的かつ確率的なステップで発生することが示され、同一ソースからのUHECRと光子との間に測定可能な時間遅れが生じることが明らかになった。
• 銀河間磁場によるUHECRの偏光は顕著であり、特に低エネルギー粒子ではその影響が顕著で、到着方向および方位分布に影響を及ぼす。
• 運動論的制約およびポアソン分布に従う相互作用レートが、到着スペクトルを連続モデルが予測するものとは異なる形に変化させる。
• Greisen-Zatsepin-Kuz'min 截止を超える観測フラックスは、エネルギー損失の確率的性質に強く依存しており、特に放射銀河からの連続的生成シナリオにおいて顕著である。
• インパulse的ソース（例：ガンマ線バースト）では、時間遅れと偏光の組み合わせにより、到着時刻および到着方向に顕著な分散が生じ、ソース同定に影響を及ぼす可能性がある。