[논문 리뷰] Are 10 EeV cosmic rays extragalactic? Theory of cosmic ray diffusion at high energy

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 10 EeV 우주선에서 관측된 이방성 이완도가 이전에 갈라크티카 기원의 증거로 해석된 바가 있지만, 오히려 난류적인 갈라크티카 자기장 속에서 중간 원자번호 핵(원자번호 Z=7)의 갈라크티카 확산에 의해 발생할 수 있다고 제안한다. 이론적 모델링과 수치 시뮬레이션을 통해 자기장 렌즈 효과가 이방성 이완도를 은하 중심에서 벗어나게 하고, 이와 유사한 크기의 4중극 이완도를 예측함으로써, 이러한 이완도 방향이 갈라크티카 기원을 시사한다는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Auger Collaboration has reported a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 EeV. The dipole direction, at 125$^\circ$ from the Galactic center, is taken as an indication of an extragalactic origin of these cosmic rays. We show, both theoretically and by direct numerical simulations, that this is not necessarily true. Intermediate mass nuclei originating in the Galaxy and diffusing in the Galactic magnetic field can have a dipole anisotropy pointing away from the Galactic center. Our theory predicts a quadrupole anisotropy of the same order of magnitude as the dipole.

연구 동기 및 목표

• 8 EeV 이상의 우주선에서 관측된 대규모 이방성 이완도가 은하 중심에서 멀어지는 방향을 향하고 있는데, 이는 갈라크티카 확산에 의한 것으로 설명될 수 있는가를 조사하기 위해.
• 고에너지에서 우주선 이완도의 형태를 결정짓는 자기장의 일관성 길이와 라르모 반경의 역할을 검토하기 위해.
• 갈라크티카 자기장 속에서 확산하는 중간 원자번호의 우주선(Z=7)이 자기장 렌즈 효과로 인해 은하 중심에서 멀어지는 것처럼 보이는 이방성 이완도를 생성할 수 있는가를 시험하기 위해.
• 갈라크티카 확산으로부터 기대되는 4중극 이완도의 크기를 예측하고 관측된 이방성 이완도와 비교하기 위해.
• 특히 잠재적 갈라크티카 기원의 빛의 세기와 지속 시간에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 라르모 반경 ρ ≫ 일관성 길이 rc 일 때 유효한 고에너지 우주선 확산 이론적 프레임워크를 수립하며, 확산 계수 D ∼ cρ²/rc 를 사용한다.
• 이완도의 크기를 d ∼ ρ²/(rcR)로 유도하며, 여기서 R은 은하 크기이고, 이완도의 편향 각도는 χ ∼ rc/ρ 로 주어진다.
• 갈라크티카 자기장을 300개의 푸리에 조화함수의 합으로 모델링하며, 임의의 위상과 방향을 부여하여, k⁻¹ = 0.1 kpc 이고 B = 10 μG 인 가우시안, 등방성, 편미분 불변의 소일로이드 자기장이 되도록 한다.
• 각 관측점에서 30,000개의 우주선 궤적을 직접 수치 시뮬레이션하며, 기원 영역(r < 5 kpc, |z| < 1 kpc)에서 머무른 시간에 따라 가중치를 부여한다. 관측점은 100개로 설정되며, r = 8 kpc, z = 0 에 위치한다.
• 시뮬레이션된 도착 방향으로부터 이완도 벡터 d = −3⟨v⟩p 와 4중극 텐서 Qij = 3⟨vivj⟩p − δij 를 계산하여 이완도를 정량화한다.
• 관측점 간 평균을 내어 통계적 모멘트를 계산한다: ⟨d²⟩¹ᐟ² = 0.26, ⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12이며, 이 중 23%의 이완도가 은하 중심으로부터 90° 이상 떨어져 있음을 발견한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 10 EeV 우주선의 이방성 이완도가 은하 중심에서 멀어지는 방향을 향하고 있는데, 이는 중간 원자번호 핵의 갈라크티카 확산에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 갈라크티카 우주선 확산으로부터 예상되는 4중극 이완도의 크기는 얼마이며, 관측된 이방성 이완도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 난류적인 갈라크티카 자기장 속에서의 자기장 렌즈 효과가 국소 이방성 이완도를 은하 중심에서 얼마나 멀리 떨어지게 할 수 있는가?
• RQ4 이론은 관측된 6.5%의 진폭과 일치하는 10% 이하의 이방성 이완도를 예측하는가?
• RQ5 빛의 세기 ∼3×10⁴¹ erg/s인 8 EeV 우주선의 갈라크티카 기원이 강한 편향에도 불구하고 검출 가능한 이완도를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 이방성 이완도는 d ∼ ρ²/(rcR)로 예측되며, 여기서 ρ ∼ 0.1–1 kpc 이고 rc ∼ 0.1–1 kpc 이므로, d ∼ 0.01–0.3 이 되며, 이는 관측된 6.5%의 진폭과 일치한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 이방성 이완도의 근미분 제곱 평균은 26%로 나타나며, 이는 관측된 6.5%보다 크므로, 관측된 우주선의 약 20%만이 갈라크티카 기원이면 신호를 설명할 수 있음을 시사한다.
• 23%의 관측점에서 이방성 이완도가 은하 중심으로부터 90° 이상 떨어져 있어, 자기장 렌즈 효과가 이완도 방향을 상당히 휘게 할 수 있음을 입증한다.
• 4중극 이완도는 약 12%의 크기(⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12)로 예측되며, 이는 이방성 이완도의 약 절반으로, 통계적 분석 향상으로 측정 가능할 수 있다.
• 이론은 이방성 이완도와 4중극 이완도가 근사적으로 같은 주기의 크기를 가짐을 예측하며, Q ∼ ρ/R ≪ d 이고 d ∼ ρ²/(rcR) 이므로, 이방성 이완도가 난류 자기장 속에서의 확산의 자연스러운 결과임을 확인한다.
• 결과적으로, 관측된 이방성 이완도가 반드시 갈라크티카 기원을 의미하는 것은 아니며, 자기장 렌즈 효과를 동반한 갈라크티카 확산이 유사한 방향성 패tern을 생성할 수 있음을 시사한다.