[論文レビュー] On the Origin of Cosmic Rays

R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、超高エネルギー（VHE）ガンマ線観測および宇宙線の非一様性に関する観測的証拠が、30%の加速効率を必要とするという仮説と矛盾することから、超新星残骸（SNRs）が銀河系宇宙線の主な源である可能性は低いと主張している。代わりに、外銀河系に位置する可能性の高い、新たな種類の天体がハドロン的宇宙線の主な源であると提唱している。このモデルは、同じ源クラスが超高エネルギー宇宙線の起源ともなり得ると示唆し、従来のSNR中心の仮説に挑戦する。

ABSTRACT

The problem in identifying the sites of origin of Galactic Cosmic Rays (CRs) is reviewed. Recent observational evidence from very-high energy (VHE, energies above 100 GeV) gamma-ray measurements is in contradiction with the surmise that synchrotron radiation from relativistic electrons is indicative for hadron acceleration. It rather points to a CR-acceleration efficiency of supernova remnants (SNRs) below one percent, much less than the value required if these objects were to be the main sources of Galactic cosmic rays (about 30%). Observations of CR anisotropy and the emission of low-energy (energy < 10 GeV) gamma-rays from the Galactic disk indicate that the sources of low-energy cosmic rays are distributed with a Galactocentric radial scale length in the order of 25 +- 10 kpc, much larger than expected if SNRs are the main sources of CRs. These two facts - together with the body of evidence from CR isotope abundances - strongly suggest that a new class of astrophysical objects - distinct from SNRs and located manly in the outer reaches of our Galaxy - is the major source of hadronic CRs in our Galaxy. The basic observational features of ultra high-energy (UHE, energy > 10^{19} eV) CRs are most naturally understood if the same CR sources accelerate CRs up to the highest observed CR energies. Proposals for the nature of a new source class are mentioned. The origin of CRs is still as much shrouded in mystery as it was in 1957, when Philip Morrison wrote a seminal review about CR origin. The potential for discoveries is thus great.

研究の動機と目的

• 超新星残骸（SNRs）が銀河系宇宙線の主な源であるという一般的な仮定を再評価すること。
• 超高エネルギー（VHE）ガンマ線データ、宇宙線の非一様性、低エネルギーガンマ線放射における観測的不一致を、SNR起源モデルと調和させること。
• 低エネルギー宇宙線源の分布が、約25 ± 10 kpcの銀河中心からの半径的スケール長を持つこと、SNRの位置と整合しないこと。
• 外銀河系に主に位置する、新たな天体クラスが、ハドロン的宇宙線の主な源であると提唱すること。
• 同じ源クラスが、超高エネルギー（>10^19 eV）の宇宙線を加速できることを示唆し、エネルギースケールにわたる起源を統一すること。

提案手法

• SNRsにおける相対論的電子の磁気放射（シンクロtron放射）がハドロン加速を示すという仮説を、VHEガンマ線観測（>100 GeV）で検証する。
• 銀河平面からの宇宙線非一様性および低エネルギー（E < 10 GeV）ガンマ線放射を評価し、低エネルギー宇宙線源の空間的分布を推定する。
• 観測された宇宙線源の半径的スケール長（~25 ± 10 kpc）を制約条件として用い、短いスケール長を持つSNRベースのモデルを除外する。
• 観測された宇宙線スペクトル、特に~4×10^15 eVにおける「膝」および~5×10^18 eVにおける「アングル」の特徴と理論モデルを比較し、単一の主要な源クラスの必要性を示唆する。
• CR同素体の割合とVHEガンマ線データをレビューし、SNRの優位性を否定し、高い加速効率を示す新たな源クラスの存在を主張する。
• 同じ源クラスが、観測されたスペクトルにグライゼンカットの兆候がないことと整合し、粒子を超高エネルギー（>10^19 eV）まで加速できることを提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜSNRsからの観測されたVHEガンマ線放射が、相対論的電子のシンクロtron放射がハドロン加速を示すという期待と矛盾するのか？
• RQ2 低エネルギー宇宙線源の真の半径的分布は何か？また、SNRの期待される分布と比べてどう異なるのか？
• RQ3 SNRsにおけるハドロン加速効率が30%であると仮定すると、VHEガンマ線および宇宙線非一様性の観測的制約と整合しないのはなぜか？
• RQ4 SNRsとは異なる、どのような天体が、観測された宇宙線スペクトルおよび複数のエネルギー領域における源分布を説明できるのか？
• RQ5 単一の源クラスが、銀河系宇宙線スペクトルと超高エネルギー宇宙線の起源の両方を説明できるか？

主な発見

• VHEガンマ線観測では、SNRsにおける加速効率が1%未満であると示されており、観測された銀河系宇宙線フラックスを説明するのに必要な30%よりもはるかに低い。
• 宇宙線非一様性および銀河平面からの低エネルギーガンマ線放射は、源分布の銀河中心からの半径的スケール長が25 ± 10 kpcであることを示しており、SNRベースのモデルとは整合しない。
• 観測された宇宙線スペクトル、特に「膝」と「アングル」の特徴は、複数の源の集合によるものよりも、単一の主要な源クラスによる説明の方が自然である。
• CR同素体の割合とVHEガンマ線データは、SNRsとは異なり、外銀河系に主に位置する新たな天体クラスが、ハドロン的宇宙線の主な源であると示唆している。
• 同じ源クラスが、観測されたスペクトルにグライゼンカットの兆候がないことと整合し、粒子を超高エネルギー（>10^19 eV）まで加速している可能性が高い。
• 超高エネルギー超新星の高エネルギー状態を示す超相対論的プラズマ（例：ガンマ線バースト関連）の痕跡が検出されていないことは、このようなイベントが観測可能なSNRの痕跡を残さない可能性を示唆し、代替の残骸物理学または源同定法を示唆している。