[論文レビュー] Propagation of Light Elements in the Galaxy

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、銀河的宇宙線の散乱が銀河系間物質で起こる核反応（スパラレーション）を模擬するため、GALPROP数値コードを用い、軽い同位体（H, He, Li, Be, B）の銀河的伝搬を検討する。従来の再加速モデルと、局所的バブル（Local Bubble）からの局所的成分を含む新しいモデルを比較した。主な発見は、局所的成分モデルが低エネルギーのB/C比および反プロトンデータをよりよく適合させることであり、観測値に一致させるために、局所的He-4の濃度を約2倍に高める必要がある。これは、弱い衝撃波による加速の前段階で物質が希釈されていることを示唆している。

ABSTRACT

The origin and evolution of isotopes of the lightest elements H2, He3, Li, Be, B in the universe is a key problem in such fields as astrophysics of CR, Galactic evolution, non-thermal nucleosynthesis, and cosmological studies. One of the major sources of these species is spallation by CR nuclei in the interstellar medium. On the other hand, it is the B/C ratio in CR and Be10 abundance which are used to fix the propagation parameters and thus the spallation rate. We study the production and Galactic propagation of isotopes of elements Z<6 using the numerical propagation code GALPROP and updated production cross sections.

研究の動機と目的

• 最新のスパラレーション断面積を用いて、銀河内における軽い同位体（H, He, Li, Be, B）の起源と伝搬を調査すること。
• 従来の再加速モデルと、局所バブルからの局所的成分を含むモデルのどちらが、宇宙線データをよりよく説明するかを検証すること。
• 特に低エネルギーおよび高エネルギー領域において、B/C比および反プロトンフラックスを用いて伝搬パラメータを制約すること。
• 軽い同位体の同位体組成と、銀河的宇宙線の起源および化学的進化に与える影響を評価すること。
• ヘリウム-4がH-2およびHe-3を生成する役割と、源の組成の変動がモデル適合に与える影響を評価すること。

提案手法

• GALPROP 2次元数値伝搬コードを用い、4 kpcのハローを持つ銀河ディスク内での宇宙線輸送をシミュレートする。
• 核種のための修正されたべき乗則注入スペクトルと、局所バブル成分のためのべき乗則スペクトルに指数的カットオフを適用する。
• 実験データに基づいて、p+He, C, N, O反応によるH-2, He-3,4, Li, Be, Bの生成断面積を自己適合させる。
• Φ = 500 MVの力場近似を用いて、ヘリオスフィア的モodulationを扱う。
• モデルA（従来型）はB/C比および高エネルギーデータ（ACE, HEAO-3）を用いてキャリブレーションするが、モデルBは低エネルギーB/Cおよび反プロトンフラックスに合わせて局所的成分を調整する。
• He-4注入スペクトルに14 GV（モデルA）および10 GV（モデルB）でスペクトルの折り返しを導入し、Heスペクトルの適合を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の再加速モデルは、低エネルギーおよび高エネルギー領域におけるB/C比および反プロトンフラックスを同時に適合させることができるか？
• RQ2 局所バブルからの局所的成分を導入することで、低エネルギーB/Cおよび反プロトンデータへの適合が向上するか？
• RQ3 He-3/He-4比およびHeスペクトルを再現するためには、局所バブル内でのHe-4濃度をどの程度に設定する必要があるか？
• RQ4 特にHe/Si比の変動が、二次的生成軽同位体の生成にどのように影響するか？
• RQ5 Li, Be, Bの同位体比は、銀河的宇宙線の起源および加速歴について何を示唆しているか？

主な発見

• H-2/He-4比は予測値より約1.8倍高いが、系統的不確かさはまだ調査中である。
• 両モデルともLi, Be, Bの同位体比を大きな誤差範囲内で再現できるが、He-3/He-4比はより感受性が高く、モデルBでは局所的He-4濃度を約2倍に高める必要がある。
• モデルBでは、Siに対する局所的He-4濃度が220（太陽値2400に対して）に設定されており、これは加速前の希釈が顕著であることを示している。
• モデルBにおける高いHe-4濃度は、低エネルギー宇宙線が、銀河間物質からの物質を弱い衝撃波で加速するという仮説を支持している。
• モデルは、低エネルギーの陽子およびヘリウムスペクトルが従来の予想よりも平坦である可能性を示唆しており、拡散銀河γ線放射に影響を及ぼす可能性がある。
• データは、高エネルギー宇宙線がヘリウム濃度が低い新鮮な超新星残骸由来であるのに対し、低エネルギー粒子は事前に希釈された銀河間物質由来であるという状況を支持している。