[論文レビュー] Three dimensional modeling of CR propagation

Daniele Gaggero, Luca Maccione+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、銀河内における宇宙線（CR）伝播のためのDRAGONコードに大幅なアップグレードを施し、磁場に平行および垂直な方向における位置および剛性依存の拡散係数を有する、完全な3次元異方性拡散モデルを導入する。初めてとして、太陽が銀河の腕間領域に位置することと、エネルギー損失の増加が、衝撃波加速理論に整合する2.38の一次的注入指数を用いてAMS-02およびPAMELAのデータと一貫したフィットを可能にする、電子スペクトルの自然な傾きの急峻化を示している。

ABSTRACT

We present here a major upgrade of DRAGON, a numerical package that computes the propagation of a wide set of CR species from both astrophysical and exotic origin in the Galaxy in a wide energy range from tens of MeV to tens of TeV. DRAGON takes into account all relevant processes in particular diffusion, convection, reacceleration, fragmentation and energy losses. For the first time, we present a full 3D version of DRAGON with anisotropic position-dependent diffusion. In this version, the propagation is calculated within a 3D cartesian grid and the user is able to implement realistic and structured three dimensional source, gas and regular magnetic field distributions. Moreover, it is possible to specify an arbitrary function of position and rigidity for the diffusion coefficients in the parallel and perpendicular direction to the regular magnetic field of the Galaxy. The code opens many new possibilities in the study of CR physics. In particular, we can study for the first time the impact of the spiral arm structure on the leptonic spectra: taking into account the fact that we live in an interarm region, far from most sources, we obtain - due to increased energy losses - a steeper electron spectrum compared to the assumption of a smooth source term. We discuss the implications of these results on our understanding on leptonic spectra and we briefly mention future studies that can be performed with our new 3D code.

研究の動機と目的

• 3次元的かつ異方性的な宇宙線伝播モデルの開発を目的とし、現実的な銀河構造と異方性拡散を考慮する。
• 従来のモデルが等方的拡散と滑らかな源分布を仮定しているという限界を是正する。
• 太陽が腕間領域に位置することによるエネルギー損失の増加が、電子および陽電子スペクトルに与える影響を調査する。
• 物理的に妥当な注入スペクトルを用いて、AMS-02およびPAMELAの高精度な電子および陽電子データを再現する。
• 今後の研究において、局所的な異方性拡散およびその太陽系内および局所銀河間空間における宇宙線輸送への影響を可能にする。

提案手法

• コードは、銀河磁場に平行および垂直な方向における位置および剛性依存の拡散係数を有する、デカルト座標系における3次元宇宙線輸送方程式を解く。
• CR源、銀河間ガス、および定常磁場の任意の3次元分布を許容し、スパイラルアームや局所構造の現実的なモデリングを可能にする。
• 拡散テンソルは、$ D_{\parallel} $、$ D_{\bot} $、および磁場単位ベクトルから構築され、空間的およびエネルギー的依存性が分離可能である。
• コードは、オペレータ分割法と有限差分法を用いて、源項、対流、再加速、エネルギー損失、および断片化を含む輸送方程式を数値的に解く。
• 太陽圏モodulationはHelioPropコードを用いて組み込み、電荷依存の漂流および時間依存の太陽圏パラメータを考慮する。
• 純粋な平行および垂直拡散に対するグリーン関数を用いたテストにより、数値的精度が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽が腕間領域に位置することにより、エネルギー損失が増加するため、電子スペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ2 3次元的源構造とエネルギー損失を適切にモデル化した場合、$ \gamma_0 = 2.38 $ の単一の一次的電子注入スペクトルがAMS-02およびPAMELAのデータと整合するか？
• RQ3 異方性拡散が、局所銀河的環境における高エネルギー宇宙線電子スペクトルの形に果たす役割は何か？
• RQ4 現実的な3次元的源分布のもとで、支配的で硬いスペクトルの余分な成分を必要とせず、観測された陽電子分数量の上昇を説明できるか？
• RQ5 局所的構造、例えばローカルバブルやスパイラルアームの密度上昇が、高エネルギーレプトンの伝播に与える影響は何か？

主な発見

• モデルは、$ \gamma_0 = 2.38 $ の一次的電子注入指数を用いて、AMS-02の陽電子分数量およびPAMELAの電子データを良好に再現し、衝撃波加速理論と整合的である。
• 高エネルギー域における電子スペクトルの傾きの急峻化は、エネルギー損失が増加する腕間領域に太陽が位置するという事実により、自然に説明可能であり、硬いスペクトルの余分な成分を必要としない。
• 10 TeVのカットオフと$ \gamma_0 = 1.7 $ を持つ二次的成分は、陽電子分数量に良好なフィットを示し、1 TeVまでのカットオフでも妥当なフィットが得られる。
• Fermi-LATの200 GeV以上の電子スペクトルは、モデルによって予測値が低く抑えられるため、Vela超新星残骸のような近接する局所源からの寄与が可能性として示唆される。
• 1 TeVのエネルギーカットオフと$ \gamma = 2.1 $ を持つ単一の近接電子加速源は、Fermi-LATおよびAMS-02のデータを良好に統合してフィットすることができ、高エネルギー域の過剰なスペクトルを局所源が説明している可能性を示唆している。