[論文レビュー] The Highest Recorded Proton Spectrum at Earth since the Beginning of the Space Age

R. Du, Du Toit Strauss+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、宇宙時代以来、地球で観測された最高の銀河的陽子スペクトルを特定した。2009年12月にPAMELAが観測したこのスペクトルは、異常に弱い太陽活動最小期に起因するものであり、勾配および曲率のドリフトを含む3次元ヘリオスフィア輸送モデルを用いて解析された。このA < 0極性サイクルでは、低ヘリオスフィア磁場条件下でのドリフト効果が強化されたため、予想を上回るスペクトルが得られた。今後A > 0サイクルが同様の調制条件を示せば、さらに高いスペクトルが得られる可能性があると予測している。

ABSTRACT

The recent solar minimum activity period and the consequent minimum modulation conditions for cosmic rays were unusual compared to previous solar minimum periods. The highest spectra of galactic protons (and other cosmic rays) were recorded by the PAMELA instrument at Earth in late 2009, in contrast to expectations. The spectrum, between 100 MeV and 50 GeV, for December 2009 is compared to proton spectra observed during previous solar minimum periods, back to 1965. Corresponding numerical modeling is presented which predicts that the next solar minimum spectra could even be higher if similar modulation conditions then would occur as in 2008-2009. The reason is that incorporating gradient and curvature drifts in modulation models causes proton spectra for A &gt; 0 solar magnetic cycles (e.g., around 1976, 1997) to always be higher than during A &lt; 0 cycles (e.g. around 1965, 1987, 2009) at energies below a few GeV, if the same modulation conditions would prevail.

研究の動機と目的

• 2009年12月にPAMELAが地球で観測した予想外に高い銀河的陽子スペクトルを説明すること。これは、過去の太陽活動最小期の行動に基づく予測を上回るものであった。
• A < 0極性サイクル（通常は陽子強度が低いとされる）である2009年の太陽活動最小期が、過去最高の調制を受けた陽子スペクトルを生じた理由を解明すること。
• 特に勾配および曲率ドリフトを含むヘリオスフィア輸送メカニズムが、極端な太陽活動最小期における宇宙線調制に与える影響をモデル化すること。
• 今後の太陽活動最小期、特にA > 0サイクルが同様の調制条件を示せば、2009年の記録を上回るより高い陽子スペクトルが得られるかどうかを予測すること。

提案手法

• 陽子の拡산およびドリフトをヘリオスフィア全体でモデル化するため、ヘリオスフィア輸送方程式の包括的な3次元数値解法が用いられた。
• モデルには、ヘリオスフィア電流系（HCS）の傾き角および地球における惑星間磁場（IMF）の大きさといった、観測された太陽調制プロキシが組み込まれた。
• 勾配および曲率ドリフトが、3次元テンソルベースの調制モデルに明示的に組み込まれ、低エネルギー陽子スペクトルに与える影響が評価された。
• 2006年中頃から2009年12月までのPAMELA観測データを用いて、120 AUで指定された局所イオン化宇宙空間スペクトル（LIS）と照合してモデルを検証した。
• 将来のスペクトルを予測するために、確率微分方程式（SDE）モデルが適用され、2008年～2009年と同一の調制条件を仮定した。
• A > 0およびA < 0極性サイクルを比較するため、5つの太陽活動最小期（1965年、1976–77年、1987年、1996–97年、2009年）を対象に分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2009年の太陽活動最小期は、A < 0極性サイクル（通常はスペクトルが低いとされる）であるにもかかわらず、なぜ地球で観測された陽子スペクトルが過去最高となったのか？
• RQ2 弱いヘリオスフィア磁場を伴う極端な太陽活動最小期において、勾配および曲率ドリフトが、陽子フラックスの増加にどの程度寄与しているのか？
• RQ3 2008年～2009年の観測された調制条件は、過去の太陽活動最小期と比較して、HCSの傾き角およびIMFの大きさの点でどのように異なっているのか。また、その組み合わせ効果が宇宙線スペクトルに与える影響は何か？
• RQ4 今後の太陽活動最小期、特にA > 0サイクルが同様の調制条件を示せば、2009年の記録を上回る陽子スペクトルが得られる可能性はあるか？
• RQ5 拡散係数の剛性依存性が、2006年から2009年にかけての調制スペクトルのソフトニングに果たす役割は何か？

主な発見

• PAMELAが2009年12月に観測した陽子スペクトルは、宇宙時代の開始以来、地球で記録された最高のスペクトルであった。
• A < 0極性サイクルであるにもかかわらず、2009年のスペクトルは、すべての過去のA < 0およびA > 0サイクルのスペクトルを上回り、特に数GeV未満のエネルギー領域で顕著であった。
• 2009年のヘリオスフィア磁場が非常に低く（約3.94 nT）、HCSの傾き角が中程度（10.0°）であったため、勾配および曲率ドリフトが強化され、地球での陽子フラックスが増加した。
• 3次元調制モデルの結果、A < 0サイクルであるにもかかわらず、ドリフト効果が過去の最小期よりも顕著であり、これが異常なスペクトルを説明している。
• SDEに基づくモデルでは、今後のA > 0サイクルで同様の調制条件が再現された場合、2009年の記録を上回る陽子スペクトルが得られる可能性があると予測された。
• 本研究は、A > 0サイクルは自然に低エネルギー陽子強度を高める傾向がある（極域からの流入経路のおかげ）と結論づけ、極端な調制条件がこの効果をさらに強化する可能性があると示した。