[논문 리뷰] Acceleration and Interaction of Ultra High Energy Cosmic Rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|1998. 12. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지우주선(UHECRs)의 가장 타당한 기원으로 펌나로프-릴리 클래스 II 은하계에서의 충격 가속을 조사하며, 이러한 기원이 자연스럽게 300 EeV까지 입자를 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 기존의 물리 모델(예: 톱로지컬 결함 같은 난이도 높은 모델 없이)이 관측된 스펙트럼, 조성 및 이sovropropy와의 불일치를 설명할 수 있음을 시사한다. 특히 간성간 매질을 통한 전파 중 에너지 손실과 자기장 효과를 고려할 때 더욱 그렇다.

ABSTRACT

In this chapter I give an overview of shock acceleration, including a discussion of the maximum energies possible and the shape of the spectrum near cut-off, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. Possible sources of the highest energy cosmic rays are discussed including active galaxies, gamma ray bursts and topological defects. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지까지 우주선을 가속화할 수 있는 기존 천체물리학적 기원—특히 펌나로프-릴리 클래스 II 은하계—의 실현 가능성 평가
• 우주배경복사와 자기장과의 상호작용이 UHECRs의 관측된 에너지 스펙트럼과 조성에 미치는 영향 평가
• 10 EeV 이상에서 관측된 GZK 커파와 스펙트럼이 표준 전파 및 가속 메커니즘으로 설명 가능한지 여부 결정
• 관측 데이터를 설명하기 위해 톱로지컬 결함 같은 난이도 높은 모델이 필요한지, 아니면 기존 물리학만으로도 충분한지 테스트
• 경쟁 모델을 구분하기 위한 주요 관측 가능량(예: 중성미자 플럭스 및 도착 방향 패턴)을 식별함으로써 향후 관측 노력 안내

제안 방법

• 표준 확산 충격 가속 이론을 사용하여 은하간 기원에서의 충격 가속 모델링, 특히 FR II 은하계에 초점
• 우주마이크파 및 적외선 배경 복사와의 상호작용에 의한 베티-헤이틀러 쌍생성 및 파이온 광생성에 의한 에너지 손실 계산
• UHECRs의 배경 복사장과의 상호작용으로 유도되는 전자-광자 캐스케이드 시뮬레이션
• 자기장 모델(예: 초초승단에서 0.1 μG)을 사용하여 UHECR 도착 방향의 휘어짐과 이sovropropy 평가
• AGASA 등 다른 실험의 관측 데이터와 시뮬레이션 스펙트럼 및 도착 패턴 비교
• 최종 관측 플럭스에 미치는 소스 분포, 자기장 구조, 주입 스펙트럼(예: E⁻².⁴)의 영향 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌나로프-릴리 클래스 II 은하계에서의 충격 가속은 최대 300 EeV의 에너지를 가진 우주선을 생성할 수 있는가?
• RQ2 우주배경복사 및 자기장과의 상호작용이 UHECRs의 에너지 스펙트럼, 조성 및 도착 방향에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 GZK 커파와 10 EeV 이상의 스펙트럼은 표준 전파 모델에 의해 설명 가능한가, 아니면 난이도 높은 기원이 필요한가?
• RQ4 UHECRs에 의해 유도되는 전자-광자 캐스케이드는 관측된 고에너지 감마선 및 중성미자 플럭스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 이sovropropy와 알려진 기원과의 상관관계 부재는 자기장에 의한 휘어짐과 기원 분포로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 펌나로프-릴리 클래스 II 은하계에서의 충격 가속은 최소한 300 EeV까지의 에너지를 가진 우주선을 생성할 수 있으며, 관측된 최고 에너지 사례와 일치한다.
• 10 EeV 이상에서의 관측 스펙트럼, 평탄한 성분 및 GZK 커파는 난이도 높은 모델을 도입하지 않고도 표준 전파 및 가속 물리학으로 잘 설명된다.
• 파이온 광생성 및 쌍생성에 의한 에너지 손실로 인해 20 Mpc 이상 떨어진 기원의 경우 최대 에너지가 약 10¹¹ GeV로 제한되며, 이는 GZK 커파와 일치한다.
• 100 EeV 이상의 우주선은 자기장에 의해 크게 휘어지며, 100 EeV 이하에서는 약 80° 범위로 도착 방향이 산산이 흩어지고 200 EeV 이상에서는 약 10° 이내로 수렴하여 알려진 기원과의 상관관계 부재를 설명한다.
• UHECRs에 의해 유도되는 전자-광자 캐스케이드는 검출 가능한 고에너지 감마선 및 중성미자 플럭스를 생성하며, 이는 고에너지 스펙트럼을 지배할 수 있다.
• 약 0.1 μG의 자기장과 10 Mpc의 기원 거리로 이루어진 국지 초초승단 환경에서 소프트 주입 스펙트럼(E⁻².⁴)과 함께 10 EeV 이상의 관측 스펙트럼을 잘 재현할 수 있다.