[論文レビュー] Origin and propagation of the highest energy cosmic rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の起源と伝播を調査し、トポロジカル欠陥のような奇妙な源を必要とせずに、ファンアロフ＝ライスリーII型電波銀河における衝撃加速が観測データを説明可能であると提唱している。宇宙背景放射場との相互作用および電子・光子カスケードの分析を通じ、標準的な天体物理学的メカニズムが十分であると結論づけているが、確認のためにはさらなるデータ改善と場の推定値の向上が不可欠である。

ABSTRACT

In this lecture I give an overview of shock acceleration, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の起源を、奇妙な物理学を仮定せずに標準的な天体物理学的メカニズムで説明できるかどうかを評価すること。
• UHECRsが銀河間放射場を通過する際の伝播およびそれらの相互作用を分析すること。
• 電子・光子カスケードが観測されたUHECRスペクトルに与える影響を評価すること。
• ファンアロフ＝ライスリーII型電波銀河における衝撃加速が、最高エネルギー宇宙線の実現可能な源であるかどうかを特定すること。
• UHECRの起源を確認するため、宇宙線データの改善および銀河間放射場・磁場のより良い推定値の必要性を同定すること。

提案手法

• UHECRsの源メカニズムとして、ファンアロフ＝ライスリーII型電波銀河における衝撃加速プロセスの理論的モデリングを用いる。
• 高エネルギー宇宙線が宇宙マイクロ波背景および赤外背景放射場と相互作用する様子を分析する。
• 宇宙空間におけるUHECR相互作用によって引き起こされる電子・光子カスケードの発展をモデル化する。
• エネルギー損失および伝播計算を適用し、宇宙線が源から地球に至るまでの進化を追跡する。
• 予測されたスペクトルおよびフラックスを観測データと比較し、標準的天体物理学的源との整合性を検証する。
• トポロジカル欠陥の放射のような奇妙な代替理論と比較して、非奇妙なモデルの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンアロフ＝ライスリーII型電波銀河における衝撃加速は、観測されたUHECRのフラックスおよびスペクトルを説明できるか？
• RQ2 銀河間放射場との相互作用は、UHECRの伝播およびエネルギー損失にどのように影響するか？
• RQ3 UHECRによって引き起こされる電子・光子カスケードは、観測されたUHECRエネルギースペクトルをどの程度変化させるか？
• RQ4 現在のUHECRデータを説明するために、トポロジカル欠陥のような奇妙な源が不可欠であるのか、それとも標準的な天体物理学的モデルで十分なのか？
• RQ5 UHECRの起源を明確に特定するためには、観測データおよび銀河間放射場・磁場のモデリングにおけるどの程度の改善が必要か？

主な発見

• ファンアロフ＝ライスリーII型電波銀河における衝撃加速は、最高エネルギー宇宙線を生成する実現可能な天体物理学的メカニズムを提供する。
• 銀河間放射場との相互作用は顕著なエネルギー損失およびカスケード発展を引き起こし、伝播モデルにおいてこれを考慮する必要がある。
• UHECRが引き起こす電子・光子カスケードは観測スペクトルを変化させるが、現在のデータを説明するために奇妙な源モデルを仮定する必要はない。
• 現在のUHECRデータは、トポロジカル欠陥のような奇妙な源の導入を必要としていない。
• UHECRの起源を明確に特定するためには、宇宙線測定の向上および銀河間放射場・磁場の制約の強化が不可欠である。