[논문 리뷰] An extragalactic ``flux trapping'' origin of the dominant part of hadronic cosmic rays?

R. Plaga|arXiv (Cornell University)|1997. 11. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 10 MeV/nucleon 이상의 하드론성 우주선의 주요 성분이 은하간에서 기인하며, 은하 내 고착체적 공간에서의 복사 에너지 밀도가 그 지역 농도를 설명한다고 제안한다. 이 모델은 은하간 기원과 관측된 에너지 스펙트럼을 일관되게 설명하며, 간섭성 자기장에 대한 보수적인 가정 하에 우주선 스펙트럼의 '앵클' 특징을 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

An extragalactic origin of the dominant part of all extrasolar hadronic cosmic rays above about 10 MeV/nucleon has long been considered unlikely due to energy considerations. In order to circumvent such arguments, the hypothesis that ``flux trapping'' of extragalactic cosmic rays occurs in the Galactic confinement volume is advanced in this paper. This hypothesis is based on a number of speculative assumptions about the properties of Galactic and intergalactic magnetic fields. The intergalactic cosmic-ray density expected under conservative assumptions about its extragalactic origins is then shown to be of the right order of magnitude to account for the locally observed cosmic radiation. It is demonstrated that an extragalactic scenario of cosmic-ray origin that is consistent with the observed cosmic-ray energy spectrum and preserves the successes of Galactic propagation theory can be constructed. The position of the ``ankle'' in the cosmic-ray energy spectrum follows as a natural consequence from this explanation. The $γ$-ray flux from the Magellanic clouds is shown to provide no suitable testing ground for the decision for or against an extragalactical origin in this scenario. It is argued that recent observational evidence seems to be in favour of a dual origin of cosmic-rays. The hadronic component is mainly extragalactic while the electrons are accelerated in Galactic supernova remnants.

연구 동기 및 목표

• 에너지 스펙트럼이 은하 내 기원을 지지하는 조건을 고려할 때, 고에너지 하드론성 우주선 기원을 설명하는 데 오랫동안 남아 있는 과제를 해결하기 위해.
• 은하 내 고착체적 공간에서의 복사 밀도가 은하간 기원과 지역적 우주선 관측치를 조화롭게 맞출 수 있는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 특히 약 10^16 eV에서 관측된 '앵클' 특징을 포함하여 관측된 우주선 에너지 스펙트럼과의 일관성을 입증하기 위해.
• 마젤란 구름가가 은하간 우주선 기원을 검증할 수 있는 시험 기반으로서의 타당성을 평가하기 위해.
• 최근 관측 증거가 하드론은 은하간 기원, 전자는 은하 내 기원이라는 双기원 모델을 어떻게 평가할 것인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 기존의 은하간 기원원소에서 유래하는 우주선 밀도에 대한 보수적인 추정치를 가정한다.
• 은하간 우주선이 자기장에 의해 은하 내 고착체적 공간에 갇히는 '복사 밀도 갇힘' 개념을 도입한다.
• 은하간 자기장과 은하 자기장 간의 상호작용을 모델링하여 갇힘 효율을 추정한다.
• 관측된 우주선 에너지 스펙트럼을 제약 조건으로 삼아 모델의 데이터 일관성을 검증한다.
• 은하 내 전파 이론을 적용하여 갇힌 은하간 입자가 지역 스펙트럼을 어떻게 재현할 수 있는지 시뮬레이션한다.
• 이 시나리오 하에서 마젤란 구름에서 기대되는 감마선 밀도를 평가하여 관측 가능성의 타당성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 내 고착체적 공간에서 은하간 우주선이 갇힐 수 있는가? 이는 하드론성 우주선의 지역 농도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 은하간 복사 밀도 갇힘 모델에서 우주선 에너지 스펙트럼의 '앵글' 특징이 자연스럽게 나타나는가?
• RQ3 마젤란 구름의 감마선 방출은 은하간 기원과 은하 내 기원을 구별하는 데 적합한 시험 기반인가?
• RQ4 은하간 하드론성 우주선과 은하 내 초신성 잔해에서 가속화된 전자로 구성된 모델이 관측된 우주선 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ5 최근 관측 데이터는 우주선의 이중 기원 모델에 대해 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 보수적인 은하간 기원원소에서 유래하는 은하간 우주선 밀도는 지역에서 관측된 우주선 농도를 설명할 수 있는 정도의 주요 크기이다.
• 복사 밀도 갇힘 메커니즘의 결과로 '앵글' 특징이 자연스럽게 나타난다.
• 모델은 관측된 우주선 에너지 스펙트럼과 일관되며, 은하 내 전파 이론의 성공을 유지한다.
• 마젤란 구름에서의 감마선 밀도는 이 시나리오에서 은하간 기원과 은하 내 기원을 구별하는 데 적합한 시험 기반으로서 부적절하다.
• 최근 관측 증거는 하드론성 우주선이 주로 은하간 기원이며 전자는 은하 내 초신성 잔해에서 가속화된다는 이중 기원 모델을 지지하는 것으로 보인다.