[論文レビュー] The High Energy Cosmic Ray Electron Spectrum measured by Fermi Gamma-Ray Space Telescope: some possible interpretations

Giuseppe Di Bernardo, Daniele Gaggero+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、7 GeVまで延びるフェルミ-LATが測定した高エネルギー宇宙線電子（CRE）スペクトルが、通常の銀河系電子成分に加えて、パルサーから来る一次電子・陽電子成分を含む二成分モデルによって最もよく説明されると提案している。パルサー由来モデルは、フェルミ-LATの電子スペクトル、H.E.S.S.の高エネルギー領域における急峻な傾き、およびパメラが測定した陽電子割合の上昇をうまく再現し、観測された異常を自然な天体物理学的メカニズムで説明可能である。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope (LAT) has provided the measurement of the high energy cosmic ray electrons plus positrons (CRE) spectrum with unprecedented accuracy form 20 GeV to 1 TeV. Recently this range has been extended down to ~ 7 GeV. The spectrum shows no prominent features and it is significantly harder than that inferred from several previous experiments. While the reported Fermi-LAT data alone may be interpreted in terms of a single (electron dominated) Galactic component, when combined with other complementary experimental results, specifically the CRE spectrum measured by H.E.S.S., and especially the positron fraction measured by PAMELA, an additional electron and positron component seems to be required. We show that the acceleration of electron-positron pairs in Galactic pulsars may offer a natural (though not unique) interpretation of all those results.

研究の動機と目的

• 7 GeVから1 TeVまでの高精度なフェルミ-LAT CREスペクトルを解釈すること。
• フェルミ-LATの硬めの電子スペクトルとパメラが測定した上昇する陽電子割合との間にある矛盾を解消すること。
• パルサー由来の電子・陽電子成分が、フェルミ-LAT、H.E.S.S.、パメラのデータを同時に説明できるかどうかを検証すること。
• 通常の銀河系電子と一次パルサー電子の二成分モデルが観測制約と整合するかどうかを評価すること。
• パルサー駆動の粒子加速が、奇妙な源を仮定せずに観測されたスペクトル的特徴を説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• GALPROPコードを用いて、拡산-損失方程式を用いて銀河系宇宙線伝搬をシミュレートすることでCREスペクトルをモデリングする。
• スペクトル指数δ = 0.33のコルモゴロフ型拡散係数を適用し、変化する電子注入指数γ₀を用いる。
• スピンダウン光度と調整可能なパラメータ（E_cut（エネルギー截断）、η_e±（対生成効率）、Δt（遅延）、およびΓ（スペクトル指数））を用いて、パルサーからの二次的電子・陽電子成分を導入する。
• ATNFパルサーカタログを用い、3 kpc以内の個々のパルサーからのスペクトルを、物理的に妥当な範囲内でランダム化されたパrameterを用いてシミュレートする。
• 太陽のモodulationを力場近似（Φ = 0.45 GV または 550 MV）を用いて考慮し、合算されたパルサー寄与をフェルミ-LAT、H.E.S.S.、パメラのデータと比較する。
• δ ≈ 0.5（クライチナン型）およびγ₀ ≈ -2.6のパラメータ組み合わせをテストすることで、PAMELAおよびフェルミ-LATの低エネルギーデータとの一致を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な伝搬を伴う単一の通常の銀河系電子成分では、フェルミ-LATの全CREスペクトルとパメラの陽電子割合を説明できるか？
• RQ2 20 GeV以上のフェルミ-LATデータに適合させるために必要なスペクトル指数と拡散モデルは何か？ また、低エネルギーデータと整合するか？
• RQ3 パルサー駆動の電子・陽電子注入は、約70 GeVにおける観測されたスペクトルの硬化と、500 GeV以上のフェルミ-LATスペクトルにおける急峻な傾きをどの程度説明できるか？
• RQ4 パルサー由来成分は、パメラが観測した陽電子割合の上昇とH.E.S.S.が観測した高エネルギー領域の挙動を同時に説明できるか？
• RQ5 E_cut、η_e±、Δt、Γといったパルサーのパラメータの変動に、結果がどの程度敏感であり、どの組み合わせが複数の機器のデータに最もよく適合するか？

主な発見

• 7 GeVから1 TeVまでのフェルミ-LAT CREスペクトルは、勾配γ = -3.08のべき乗則に一致しており、約70 GeVで硬化の兆候と、約500 GeV以上で急峻な傾きの兆候が見られる。
• δ = 0.33およびγ₀ = -2.42/2.5の単一成分銀河系モデルでは、低エネルギーのフェルミ-LATおよびAMS-01データを再現できず、パメラの陽電子割合を過剰に予測する。
• パルサー由来の一次電子・陽電子成分を含む二成分モデルは、フェルミ-LAT、H.E.S.S.、パメラのデータに対して著しく優れた適合を得る。
• E_cutの範囲が1 < E_cut < 1.8 TeV、η_e±が10 < η_e± < 40%、Δt/10⁴ yrの範囲が5 < Δt/10⁴ yr < 10、Γの範囲が1.5 < Γ < 2.0であるパルサーモデルは、観測されたCREスペクトルと陽電子割合を再現可能である。
• パルサー由来成分の導入により、標準モデルが説明できないフェルミ-LATスペクトルの硬さとパメラの陽電子割合上昇の矛盾が解消される。
• δ ≈ 0.5（クライチナン型拡散）およびγ₀ ≈ -2.6のモデルは、δ = 0.33のモデルよりも、PAMELAの低エネルギーデータを含む全データセットに著しくよく適合する。