[論文レビュー] On the Propagation of Extragalactic High Energy Cosmic and Gamma-Rays

Sangjin Lee|CERN Bulletin|Apr 18, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、10⁸ から 10²³ eV の範囲における銀河間の高エネルギー宇宙線およびガンマ線の包括的な数値的検討を提示している。宇宙背景放射および磁場を介した伝播をモデル化し、自己整合的な輸送コードを用いて、グランドユニフィケーションスケールの物理学や宇宙論的ガンマ線バーストに基づくモデルが、超高エネルギー宇宙線の起源を説明する上で依然として妥当であることが示された。

ABSTRACT

The origin and nature of ultrahigh energy cosmic rays with energies above $10^{20}\,$eV is a puzzle for the physics and astrophysics of cosmic rays which is still unresolved. In this paper, I report on an extensive study on the propagation of extragalactic nucleons, $γ$-rays, and electrons in the energy range between $10^8\,$eV and $10^{23}\,$eV. I have devised an efficient numerical method to solve the transport equations for cosmic ray spectral evolution. The universal radiation background spectrum in the energy range between $\simeq 10^{9}\,$eV and $\simeq 1\,$eV is considered in the numerical code, including the diffuse radio background, the cosmic microwave background, and the infrared/optical background, as well as a possible extragalactic magnetic field. I apply the code to compute the particle spectra predicted by various models of ultrahigh energy cosmic ray origin. A comparison with the observed fluxes, especially the diffuse $γ$-ray background in several energy ranges, allows one to constrain certain classes of models. I conclude that scenarios which attribute the highest energy cosmic rays to Grand Unification Scale physics or to cosmological Gamma Ray Bursts are viable at the present time.

研究の動機と目的

• 10²⁰ eV 以上の超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源と伝播を理解すること。これは長年の天体物理学の難問である。
• 広いエネルギー範囲（10⁸–10²³ eV）における銀河間核子、ガンマ線、電子のスペクトル進化をモデル化すること。
• 宇宙放射背景（CMB、赤外/可視光、拡散電波成分を含む）を伝播計算に完全に組み込むこと。
• 予測されたスペクトルと観測された拡散ガンマ線背景放射の照合を通じて、UHECR起源モデルの妥当性を評価すること。
• 銀河間磁場が宇宙線の伝播およびエネルギー損失機構に与える影響を評価すること。

提案手法

• 宇宙線スペクトル進化を支配する輸送方程式を解くための効率的な数値的手法を開発した。
• 宇宙マイクロ波背景、赤外/可視光、拡散電波成分を含む、約 1 eV から約 10⁹ eV の範囲の普遍的放射背景スペクトルを統合した。
• 背景光子の存在下での光核反応（核子のため）および逆コンプトン散乱（電子のため）といったエネルギー損失機構を組み込んだ。
• 銀河間磁場による荷電粒子の偏光およびエネルギー損失をモデル化した。
• 輸送コードを用いて、さまざまなUHECR起源モデルの予測粒子スペクトルを計算した。
• 特に複数のエネルギー帯域における拡散ガンマ線背景の観測制約と、モデル出力を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河間空間を源から地球まで伝播する銀河間宇宙線およびガンマ線は、どのように伝播するか？
• RQ2 宇宙放射背景（CMB、赤外/可視光、電波）は、高エネルギー粒子のエネルギー損失およびスペクトル進化にどのような影響を与えるか？
• RQ3 銀河間磁場は、超高エネルギー宇宙線の軌道およびエネルギースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 グランドユニフィケーションスケールの物理学や宇宙論的ガンマ線バーストといったUHECR起源モデルの中で、観測された拡散ガンマ線背景を最もよく再現するのはどれか？
• RQ5 現在の拡散ガンマ線フラックス測定を用いて、UHECR源モデルにどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• 数値コードは、10⁸ eV から 10²³ eV の全エネルギー範囲の宇宙線を高い精度でモデル化できた。
• グランドユニフィケーションスケールの物理学に起因するUHECRモデルは依然として妥当であり、拡散ガンマ線背景と整合するスペクトルを予測する。
• 宇宙論的ガンマ線バーストモデルも、現在の拡散ガンマ線フラックスに関する観測的制約と整合的である。
• 10¹⁹ eV 以上では、陽子の光核反応によるエネルギー損失と、電子の逆コンプトン散乱によるエネルギー損失が顕著である。
• 銀河間磁場は荷電粒子を大きく偏光させるが、その強度とコherentlyな性質は、天体的起源のシナリオを排除しない。
• 10¹⁰–10¹⁴ eV 範囲の拡散ガンマ線背景は、高エネルギー注入スペクトルと効率的なガンマ線生成を示すモデルを好む強い制約をUHECR源モデルに課す。