[論文レビュー] Large-scale sidereal anisotropy of multi-TeV galactic cosmic rays and the heliosphere

M. Amenomori, Xiao-Jun Bi+84 more|ArXiv.org|Sep 5, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、チベットAS $γ$ 実験で観測されたマルチTeV級銀河宇宙線の大型スケールの恒星縁異方性を説明するため、水素偏向平面（HDP）に一対のガウス型強度過剰を組み込んだモデルを提案する。ヘリオテイルから約50°離れた位置に中心を持つHDPベースの過剰と、一方向および二方向の流れの組み合わせによる観測された天の川マップへのフィットにより、モデルは歪んだ強度特徴を成功裏に再現し、ヘリオスフィアにおける顕著な南北非対称性を明らかにした。南側の過剰振幅は北側よりも約0.2%高い。

ABSTRACT

We develop a model anisotropy best-fitting to the two-dimensional sky-map of multi-TeV galactic cosmic ray (GCR) intensity observed with the Tibet III air shower (AS) array. By incorporating a pair of intensity excesses in the hydrogen deflection plane (HDP) suggested by Gurnett et al., together with the uni-directional and bi-directional flows for reproducing the observed global feature, this model successfully reproduces the observed sky-map including the "skewed" feature of the excess intensity from the heliotail direction, whose physical origin has long remained unknown. These additional excesses are modeled by a pair of the northern and southern Gaussian distributions, each placed ~50 degree away from the heliotail direction. The amplitude of the southern excess is as large as ~0.2 %, more than twice the amplitude of the northern excess. This implies that the Tibet AS experiment discovered for the first time a clear evidence of the significant modulation of GCR intensity in the heliotail and the asymmetric heliosphere.

研究の動機と目的

• チベットAS $γ$ 実験で観測されたマルチTeV級銀河宇宙線の強度分布における大型スケールの恒星縁異方性を説明すること。
• 未解決のままであったヘリオテイル方向における歪んだ強度過剰の物理的起源を調査すること。
• ヘリオスフィアの構造、特にその非対称性が、観測された異方性特徴を説明できるかどうかを検証すること。
• Gurnettらが特定した水素偏向平面（HDP）が、グローバルな流れパターン以外の宇宙線強度過剰を有する可能性があるかどうかを検証すること。
• これらの過剰の振幅と角度分布を定量的に評価し、ヘリオスフィアの非対称性に与える影響を評価すること。

提案手法

• モデルは、グローバルな異方性特徴を再現するために、一方向および二方向の宇宙線流れ成分を組み合わせる。
• HDPに一対のガウス型強度過剰を導入し、それぞれがヘリオテイル方向から約50°離れた位置に中心を持つ。パラメータは振幅 $b_1$ と $b_2$、角度幅 $ heta_{\text{width}}$ と $ ho_{\text{width}}$、角度オフセット $ heta$ で定義される。
• 異方性モデルは式（4）で定義され、HDPに沿った方向および垂直方向の角度依存性を $ heta_{n,m}$ と $ ho_{n,m}$ を用いて記述する。
• 11個の自由パrameter（流れの振幅、方向角、ガウス幅）を含む最小二乗最小化法を用いて、観測された天の川マップにモデルをフィットする。
• 残差異方性は、観測データからモデルを差し引いて評価され、適合度の評価に減少済み $ ilde{\rho}^2$ 値1.791が用いられる。
• モデルの妥当性は、残差の有意性マップ（図1f）を観測データと比較することで確認され、歪んだ過剰の成功裏な再現が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたヘリオテイル方向における歪んだ強度過剰は、ヘリオスフィア内の構造的モジュレーションによって説明可能か？
• RQ2 水素偏向平面（HDP）は、グローバルな流れパターンを超えた追加の宇宙線強度過剰の場として妥当か？
• RQ3 これらの過剰の角度分布と振幅は何か？ そして、それらはヘリオスフィアにおける南北非対称性を示唆するか？
• RQ4 HDPベースのガウス型過剰を含めることで、それらを含まないモデルと比較して、観測されたマルチTeV級GCR天の川マップへの適合度はどのように向上するか？
• RQ5 HDPにおける南側と北側の過剰の観測振幅差の物理的意味は何か？

主な発見

• モデルは、ヘリオテイル方向における以前に説明がつかなかった歪んだ強度過剰を含め、観測されたマルチTeV級銀河宇宙線の大型スケールの恒星縁異方性を成功裏に再現した。
• 最良のフィットモデルには、ヘリオテイル方向から約50°離れた位置に中心を持つHDP内に一対のガウス型過剰が含まれており、最良のフィット角度オフセットは $ heta = 50.0^\text{°}$ であった。
• 南側過剰の振幅（$b_1$）は北側過剰（$b_2$）よりも約0.2%高いことが測定され、ヘリオスフィア構造における顕著な南北非対称性を示した。
• 自由度1269をもつ減少済み $ ilde{\rho}^2$ 値1.791は、観測データへの統計的に許容できる適合を確認した。
• モデルが残差異方性マップ（図1f）を成功裏にフィットしたことは、HDPベースの過剰が観測された天の川マップの特徴を説明するために不可欠であることを示した。
• 本研究の結果は、マルチTeV級宇宙線異方性におけるヘリオスフィア非対称性を直接観測的に示す初の証拠を提供し、HDPおよびヘリオテイル領域と関連づけた。