[논문 리뷰] Cosmic ray penetration in diffuse clouds

Giovanni Morlino, S. Gabici외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 확산, 유동, 이온화 에너지 손실을 포함하는 정 steady-state 운동학적 운반 모델을 사용하여 희박한 분자운에 우주선(CR)의 침투를 조사한다. 100 MeV 근처에서 스펙트럼의 꺾임이 발생하며, 이 아래에서는 특히 이온화에 관련된 에너지 영역에서 CR 스펙트럼이 상당히 억제됨을 발견한다. 이는 스트리밍 불안정성의 존재 여부와 관계없이 발생하며, 이는 희박한 구름 내에서 우주선 이온화율이 이전에 구속된 궤도 운반 모델에서의 추정보다 상당히 낮다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Cosmic rays are a fundamental source of ionization for molecular and diffuse clouds, influencing their chemical, thermal, and dynamical evolution. The amount of cosmic rays inside a cloud also determines the $γ$-ray flux produced by hadronic collisions between cosmic rays and cloud material. We study the spectrum of cosmic rays inside and outside of a diffuse cloud, by solving the stationary transport equation for cosmic rays including diffusion, advection and energy losses due to ionization of neutral hydrogen atoms. We found that the cosmic ray spectrum inside a diffuse cloud differs from the one in the interstellar medium (ISM) for energies smaller than $E_{br}\approx 100$ MeV, irrespective of the model details. Below $E_{br}$, the spectrum is harder (softer) than that in the ISM if the latter is a power law $\propto p^{-s}$ with $s$ larger (smaller) than $\sim0.42$. As a consequence also the ionization rate due to CRs is strongly affected. Assuming an average Galactic spectrum similar to the one inferred from AMS-2 and Voyager 1 data, we discuss the resulting ionization rate in a typical diffuse cloud.

연구 동기 및 목표

• 우주선이 희박한 분자운에 어떻게 침투하여 이들의 이온화, 열역학적, 역학적 진화에 영향을 미치는지 이해하기.
• 특히 스트리밍 불안정성과 확산의 역할에 관해 문헌에서의 모순을 해결하기.
• 중성 수소의 이온화로 인한 에너지 손실로 인해 희박한 구름 내에서 우주선 스펙트럼이 어떻게 수정되는지 정량화하기.
• 우주선 스펙트럼 수정이 구름 내 이온화율과 감마선 방출에 미치는 영향 평가하기.
• 1차원 자기력선 내에서 공간적으로 변화하는 확산, 유동, 에너지 손실을 고려한 우주선 운반의 자기 일관된 모델 제공하기.

제안 방법

• 희박한 구름를 관통하는 자기력선을 따라 우주선의 정 steady-state 운동학적 운반 방정식을 해결한다.
• 공간적으로 변화하는 확산 계수, 알베르트 속도에 의한 유동, 중성 수소의 이온화로 인한 에너지 손실을 모델링한다.
• 은하간 매질(ISM)과 구름 사이의 일차원적이고 날카로운 전이를 가정하며, 일정한 자기장과 이온 밀도를 가진다.
• 바이오저 1 및 AMS-02 데이터에서 유래한 매개변수화된 은하계 우주선 스펙트럼(최소 및 최대 범위)을 입력 경계 조건으로 사용한다.
• 100 keV–1 GeV 범위에서 이온화 에너지 손실 시간 상수에 대한 거듭제곱 법칙 근사치를 적용한다.
• 구름 내에서의 결과 우주선 스펙트럼을 ISM 스펙트럼과 비교하여 스펙트럼 꺾임과 억제 요인을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희박한 구름 내에서 우주선 스펙트럼이 은하간 매질에서의 스펙트럼과 벗어나는 에너지 척도는 무엇인가?
• RQ2 중성 수소의 이온화로 인한 에너지 손실이 구름 내에서 우주선 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스트리밍 불안정성과 무관하게, 100 MeV 이하에서 우주선이 희박한 구름으로의 침투가 얼마나 억제되는가?
• RQ4 수정된 우주선 스펙트럼이 희박한 구름 내 분자 수소(H2)의 이온화율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 우주선 스펙트럼 수정이 중성 π-입자 생성 임계값 근처에서 희박한 구름의 감마선 빛의 세기에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스트리밍 불안정성의 존재 여부와 관계없이, 희박한 구름 내에서 우주선 스펙트럼에 약 100 MeV(E_br ≈ 100 MeV)에서 스펙트럼 꺾임이 나타난다.
• E_br 이하에서는, ISM 스펙트럼이 ∝ p^{-0.42}보다 더 가파르면(더 뚜렷하면) 구름 내 스펙트럼이 더 날카롭게(더 부드럽게) 진다.
• 0.58 MeV 이하 에너지에서는, 구름 내 우주선 스펙트럼이 ISM 스펙트럼 대비 최대 3개의 지수 정도 감소한다.
• 일반적인 희박한 구름(N_H ≈ 3×10^21 cm⁻²) 내에서 H2 분자의 이온화율은 수정되지 않은 최대 스펙트럼의 3.59×10⁻¹⁶ s⁻¹에서 운반 효과를 고려한 후 2.61×10⁻¹⁷ s⁻¹로 감소한다.
• 최소 스펙트럼 이온화율은 3.49×10⁻¹⁷ s⁻¹에서 1.05×10⁻¹⁷ s⁻¹로 감소하여, 저에너지에서의 이온화 억제가 뚜렷하다는 것을 시사한다.
• 중성 π-입자 생성의 임계 에너지(≈280 MeV)가 꺾임 에너지 이하에 위치하지 않아, 구름의 감마선 빛의 세기는 크게 감소하지 않는다.