[논문 리뷰] Are there pulsars in the knee ?

A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 Monogem Ring 초신성 잔해(SNR)와 관련된 펄서 PSR B0656+14이 약 3 PeV에서의 우주선 무릎 특징의 주요 원인일 수 있는지 조사한다. 입자 방출 및 확산 모델을 사용하여, 펄서는 무릎 강도의 최대 15% 기여할 뿐이며, 날카러운 특징을 설명하기에는 부족하다고 결론내린다. 따라서 SNR가 주요 기여원으로 남아 있다. 만약 우주선이 SNR 내에서 전체 수명의 89–94% 동안 고립되어 있었다면, 펄서는 광역 공기 샤워 데이터에서 관측된 '亚美尼亚 피크'를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

Recent findings indicate that the Monogem Ring supernova remnant and the associated pulsar PSR B0656+14 may be the 'Single Source' responsible for the formation of the sharp knee in the cosmic ray energy spectrum at $\sim$3PeV. We estimate the contribution of the pulsar B0656+14 to the cosmic rays in the PeV region and conclude that the pulsar cannot contribute more than 15% to the cosmic ray intensity at the knee. Therefore it cannot be the dominant source there and an SNR is still needed. We also examine the possibility of the pulsar giving the peak of the extensive air shower intensity observed from the region inside the Monogem Ring. The estimates of the gamma-ray flux produced by cosmic ray particles from this pulsar indicate that it can be the source of the observed peak, if the particles were confined within the SNR during a considerable fraction of its total age. We also estimate the contribution of Geminga and Vela pulsars to cosmic rays at the knee.

연구 동기 및 목표

• 약 3 PeV에서 우주선 에너지 스펙트럼의 날카러운 무릎 특징을 담당하는 주요 기여원으로서 PSR B0656+14가 가능한지 평가하기.
• Geminga와 Vela를 포함한 고립된 펄서들이 무릎 에너지에서 우주선 강도에 기여하는 정도 평가하기.
• Monogem Ring SNR 내에서 관측된 6σ 초과인 '아亞미니아 피크'의 기원을 펄서 방출이 가능한 원인으로 고려하여 조사하기.
• SNR 내에서 고에너지 우주선이 장기간 고립되어 있었다면, 관측된 피크와 펄서의 위치 및 운동 간의 불일치를 어떻게 설명할 수 있는지 규명하기.

제안 방법

• 입자 방출률 $ \frac{d^2N}{dtdE} $, 생존 확률 $ S(t,T,E) $, 입자 밀도 $ \rho(t,T,R,E) $ 를 사용하여 PSR B0656+14에서 유래하는 우주선 에너지 스펙트럼 모델링.
• 단일 기여원 모델을 적용하여 필요한 에너지 밀도를 추정하고, 펄서의 회전 에너지 손실에 따라 정규화하여 펄서 출력과 비교.
• 우주선 상호작용으로부터 유도되는 감마선 플럭스를 추정하여, 펄서가 관측된 EAS 피크를 생성할 수 있는지 테스트.
• 우주선의 고립 효과를 고려할 때, 펄서의 운동 및 위치와 아亞미니아 피크 간의 공간적·운동학적 일치성 평가.
• 확산 모델을 사용하여 SNR 내에 고립된 PeV 우주선의 공간적 확장을 추정하고, 지구에서의 각도 분포 계산.
• 펄서에 의해 가속화된 양성자 및 산소 핵의 에너지 스펙트럼을 0.4 PV 강성에서 관측된 무릎 특징과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR B0656+14가 단독으로 약 3 PeV에서의 우주선 무릎 기여의 주요 기여원이 될 수 있는가?
• RQ2 방출 및 확산 특성에 기반해, 펄서가 무릎 에너지에서 우주선 강도의 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 Monogem Ring SNR 내에서 관측된 광역 공기 샤워 강도의 6σ 초과('아亞미니아 피크')는 PSR B0656+14에서 기인한 것으로 일치하는가?
• RQ4 장기간 SNR 내에서 고립된 우주선이 피크 위치와 펄서 간의 이격을 설명할 수 있는가?
• RQ5 Geminga와 Vela 펄서가 PSR B0656+14에 비해 무릎 형성에 기여하는 정도는 어떠한가?

주요 결과

• PSR B0656+14는 무릎 에너지에서 우주선 강도의 최대 15% 기여할 뿐이며, 이는 주요 기여원으로서 부족하다.
• 펄서에서 유래하는 우주선의 에너지 밀도는 뿌리의 단일 기여원 모델이 요구하는 $ 2.24 \times 10^{-4} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $ 에 비해 훨씬 낮은 $ 1.9 \times 10^{-6} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $ 이다.
• 관측된 EAS 강도 피크('아亞미니아 피크')는 우주선이 SNR 내에서 전체 수명의 89–94% 동안 고립되어 있었다면 펄서에 의해 설명될 수 있다.
• 피크 위치는 펄서에서 8.5° 떨어져 있으나, 만약 PeV 우주선이 약 100 pc 반경 내에서 확산되어 거의 균일한 구형 분포를 형성한다면 이 이격은 설명 가능하다.
• Vela 펄서는 더 어린 펄서이며 최대 강성 약 2.8 PV이므로, 10% 효율로 양성을 가속화한다면 무릎에 기여할 수 있지만, 그 입자는 여전히 SNR 내에 갇혀 있을 가능성이 높다.
• Geminga는 더 오래되었고 최대 강성 0.19 PV이므로, 철핵을 가속화하지 않는 한 무릎에 기여할 수 없으며, 이는 제안된 10–20 PeV 범위의 두 번째 무릎 형성에 여유가 없음을 의미한다.