[論文レビュー] Voyager 1 Measurements Beyond the Heliopause of Galactic Cosmic Ray Helium, Boron, Carbon, Oxygen, Magnesium, Silicon and Iron Nuclei with Energies 0.5 to >1.5 GeV/nuc

W. R. Webber, N. Lal+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ボイジャー1号の高エネルギー望遠鏡を用いて、ヘリオポーズを越えてヘリウム、ボロン、炭素、酸素、マグネシウム、ケイ素、鉄核のガリラクティック宇宙線スペクトルを初めて直接測定した。エネルギー範囲は0.5から>1.5 GeV/nucである。強力なZ依存性を持つ強度比とピークエネルギー特徴が明らかになった。これは、局所銀河間媒体における複雑な伝搬効果と源の不均一性を示している。

ABSTRACT

We have obtained the energy spectra of cosmic ray He, B, C, O, Mg, S and Fe nuclei in the range 0.5-1.5 GeV/nuc and above using the penetrating particle mode of the High Energy Telescope, part of the Cosmic Ray Science (CRS) experiment on Voyagers 1 and 2. The data analysis procedures are the same as those used to obtain similar spectra from the identical V2 HET telescope while it was in the heliosphere between about 23 and 54 AU. The time period of analysis includes 4 years of data beyond the heliopause (HP). These new interstellar spectra are compared with various earlier experiments at the same energies at the Earth to determine the solar modulation parameter, phi. These new spectra are also compared with recent measurements of the spectra of the same nuclei measured by the same telescope at low energies. It is found that the ratio of intensities at 100 MeV/nuc to those at 1.0 GeV/nuc are significantly Z dependent. Some of this Z dependence can be explained by the Z2 dependence of energy loss by ionization in the 7-10 g/cm2 of interstellar H and He traversed by cosmic rays of these energies in the galaxy; some by the Z dependent loss due to nuclear interactions in this same material; some by possible differences in the source spectra of these nuclei and some by the non-uniformity of the source distribution and propagation conditions. The observed features of the spectra, also including a Z dependence of the peak intensities of the various nuclei, pose interesting problems related to the propagation and source distribution of these cosmic rays.

研究の動機と目的

• ヘリオポーズを越えて0.5から>1.5 GeV/nucのエネルギー範囲におけるガリラクティック宇宙線核（ヘリウム、ボロン、炭素、酸素、マグネシウム、ケイ素、鉄）のエネルギースペクトルを測定すること。
• ボイジャー1号の銀河間スペクトルと以前の地球ベースの測定値を比較することで、太陽モジュレーションパラメータφを特定すること。
• 伝搬および源分布の効果を理解するために、宇宙線強度比とピーク強度のZ依存性を調査すること。
• 銀河間媒体における電離および核エネルギー損失が宇宙線スペクトルに与える影響を分析すること。
• ヘリオポーズを越えてのボイジャー1号による高エネルギースペクトルと、同じ機器がヘリオスフィア内での低エネルギースペクトルを比較すること。

提案手法

• ボイジャー1号の宇宙線科学（CRS）実験に搭載された高エネルギー望遠鏡（HET）の透過粒子モードを用い、高エネルギー宇宙線核を検出した。
• 一貫性を確保するため、ボイジャー2号のHETデータ（23–54 AUのヘリオスフィア内段階）で用いられた同一のデータ解析手順を適用した。
• ボイジャー1号がヘリオポーズを通過してから4年間の期間にわたりエネルギースペクトルを測定し、真の銀河間媒体からのデータを保証した。
• 得られた銀河間スペクトルを以前の地球ベースの測定値と比較して、太陽モジュレーションパラメータφを導出した。
• 電離損失、核反応、源スペクトルの変動に起因する寄与を分離するために、強度比（例：100 MeV/nucから1.0 GeV/nuc）のZ依存性を分析した。
• 銀河間媒体における水素およびヘリウムの全密度（約7–10 g/cm²）を組み込み、エネルギー損失効果をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5から>1.5 GeV/nucのエネルギー範囲で、ヘリオポーズを越えてガリラクティック宇宙線核（ヘリウム、ボロン、炭素、酸素、マグネシウム、ケイ素、鉄）のエネルギースペクトルはどのように変化するか？
• RQ2 これらの核について、100 MeV/nucから1.0 GeV/nucの間の強度比のZ依存性は何か？その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 銀河間媒体（水素およびヘリウム）における電離および核エネルギー損失が、観測されたZ依存性スペクトル特徴にどの程度寄与しているか？
• RQ4 観測されたスペクトルは、ヘリオスフィア内および地球で測定されたスペクトルとどのように比較できるか？これにより太陽モジュレーションパラメータφにどのような示唆が得られるか？
• RQ5 Z依存性を持つピーク強度とスペクトル形状は、宇宙線源分布の不均一性および伝搬条件をどのように明らかにするか？

主な発見

• 100 MeV/nucから1.0 GeV/nucの間の宇宙線核の強度比は、原子番号Zに強く依存しており、重い核ほど大きな比を示している。
• Z依存性の大部分は、宇宙線が通過する7–10 g/cm²の銀河間水素およびヘリウムにおけるZ²に比例する電離エネルギー損失に起因している。
• 追加的なZ依存性は、銀河間媒体内での核反応および元素ごとの源スペクトルの違いに起因する可能性がある。
• 異なる核のスペクトルにおけるピーク強度にZ依存性の変動が見られ、伝搬および源の非一様性を示している。
• Z依存性を持つスペクトル特徴、特に強度比とピーク位置は、単純な宇宙線伝搬モデルを挑戦しており、複雑な源分布を示唆している。
• 以前の地球ベースの測定値との比較に基づき、導出された銀河間スペクトルは、太陽モジュレーションパラメータφが約0.4 MVであると整合的である。