[논문 리뷰] A Comparison of the Galactic Cosmic Ray H, He and C/O Nuclei Spectra Measured Between ~5 and 500 MeV/nuc Beyond 122 AU at Voyager 1 with the Predictions of a Diffusion Model for Propagation in the Galaxy

W. R. Webber, P. R. Higbie외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 20.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 122 AU 이상에서 측정된 바이저 1의 은하계 우주선 수소, 헬륨, 탄소/산소 스펙트럼(5–500 MeV/nuc 범위)을 은하계 우주선 확산 전파 모델의 예측과 비교한다. 모델은 보편적인 P^-2.24 입력 스펙트럼과 강도 의존성 확산 계수를 사용하며, 바이저 데이터 및 고에너지 PAMELA/BESS 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 100 GeV/nuc까지 일관된 강도 스펙트럼을 나타내며, 30 MeV/nuc 이하에서는 약간의 이질성이 관측되어 전파 또는 원천 효과의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

After the disappearance of lower energy heliospheric particles at Voyager 1 starting on August 25th, 2012, spectra of H, He and C/O nuclei were revealed that resembled those to be expected for galactic cosmic rays. These spectra had intensity peaks in the range of 30-60 MeV, decreasing at both lower energies down to a few MeV and at higher energies up to several hundred MeV. We have modeled the propagation of these particles in the galaxy using an updated Leaky Box Diffusion model which determines the spectra of these components from ~2 MeV to >200 GeV. The key parameters used in the model are a galactic input spectrum ~P^-2.24, the same for all components and independent of rigidity, and a diffusion coefficient that is ~P^0.5 above a lower rigidity and increases ~beta^-1.0 below a lower rigidity ~0.56 GV. These same parameters also fit the high energy H and He data from ~10-200 GeV/nuc from the PAMELA and BESS experiments. The new Voyager spectra for all three nuclei are thus consistent with rigidity spectra ~P^-2.24 from the lowest energies to at least 100 GeV. Deviations from this spectrum can reasonably be attributed to propagation effects. Some deviations between the calculated and newly observed spectra are noted, however, below ~30 MeV/nuc, particularly for C/O nuclei, that could be significant regarding the propagation and sources of these particles.

연구 동기 및 목표

• 122 AU 이상에서 헬리오스피어 모듈레이션이 중단된 상태에서 바이저 1이 측정한 수소, 헬륨, 탄소/산소 핵의 은하계 우주선 스펙트럼을 분석한다.
• 관측된 스펙트럼이 은하계 내에서의 우주선 전파에 대한 확산 모델의 예측과 일치하는지 테스트한다.
• 관측된 스펙트럼이 PAMELA 및 BESS 실험의 고에너지 데이터와 일관된지 평가한다.
• 예측된 스펙트럼과의 잠재적 이질성을 규명하고, 전파 물리학 또는 원천 조성에 대한 영향을 평가한다.

제안 방법

• 연구는 ~2 MeV에서 >200 GeV까지의 강도 범위에서 우주선 전파를 시뮬레이션하기 위해 업데이트된 Leaky Box Diffusion 모델을 사용한다.
• 모델은 모든 핵에 대해 강도에 관계없이 동일한 보편적인 은하계 입력 스펙트럼 E^-2.24를 가정한다.
• 확산 계수는 낮은 강도 임계값(~0.56 GV) 이상에서는 ~P^0.5로, 이하에서는 ~β^-1.0로 모델링된다.
• 모델의 매개변수는 고에너지 수소 및 헬륨 데이터를 PAMELA 및 BESS 실험에서 취득하여 에너지 범위 간 일관성을 확보하기 위해 校정된다.
• 모델 예측은 5–500 MeV/nuc 범위에서 바이저 1 스펙트럼과 직접 비교되며, 주로 30–60 MeV/nuc에서 강도 피크에 집중된다.
• 특히 30 MeV/nuc 이하에서 모델과 데이터 간의 이질성을 분석하여 전파 또는 원천 관련 효과의 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이저 1이 122 AU 이상에서 측정한 수소, 헬륨, 탄소/산소 핵의 은하계 우주선 스펙트럼은 은하계 전파에 대한 확산 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ2 관측된 강도 스펙트럼은 낮은 에너지에서 높은 에너지까지 예측된 보편적인 P^-2.24 거듭제곱 법칙을 따르는가?
• RQ3 특히 30 MeV/nuc 이하에서 모델과 바이저 1 데이터 사이에 측정 가능한 격리가 존재하는가? 이는 모델의 한계 또는 원천 또는 전파 물리학에 대한 통찰을 제공하는가?
• RQ4 고에너지 PAMELA 및 BESS 데이터에 잘 맞는 모델 매개변수가 저에너지 바이저 1 스펙트럼을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 30 MeV/nuc 이하에서 관측된 이질성은 전파 효과로 기인하는가, 아니면 추가적인 물리적 과정을 시사하는가?

주요 결과

• 수소, 헬륨, 탄소/산소 핵에 대한 바이저 1 스펙트럼은 30–60 MeV/nuc 범위에서 강도 피크를 보이며, 낮은 에너지와 높은 에너지 쪽으로 감소하는 경향을 보이며, 은하계 우주선 기원과 일치한다.
• 관측된 스펙트럼은 보편적인 은하계 입력 스펙트럼 P^-2.24를 가진 확산 모델에 의해 잘 설명되며, 이는 세 핵에 걸쳐 일관된 주입 스펙트럼을 나타낸다.
• PAMELA 및 BESS 실험에서 얻은 고에너지 수소 및 헬륨 데이터에 잘 맞는 동일한 모델 매개변수들이 500 MeV/nuc까지 바이저 1 스펙트럼을 성공적으로 재현한다.
• 모델은 약 ~2 MeV에서 최소 100 GeV/nuc까지의 전체 에너지 범위에서 매끄러운 P^-2.24 스펙트럼을 예측하며, 스펙트럼에 명백한 단절이 없다.
• 30 MeV/nuc 이하에서 모델과 데이터 간의 이질성이 관측되며, 특히 탄소/산소 핵에서 두드러져 전파 효과 또는 원천 조성 영향의 가능성을 시사한다.
• 다양한 에너지 영역에서 데이터와 모델 간의 일관성은 은하계 내 우주선 전파에 대한 확산 모델의 타당성을 뒷받침한다.