[논문 리뷰] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, I. Contribution from hot spots in FR-II galaxies

Joerg P. Rachen, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|1993. 01. 21.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 FR-II 전파 은하의 핫스팟이 제1종 파라미터 펌프를 통해 은하간 초고에너지우주선(UHECRs)의 타당한 원천이 될 수 있다고 제안한다. 전파에서 가시광선 관측에 이르는 물리적 제약 조건과 우주 마이크로파 배경을 통한 양성자 운반 모델링을 통해, 0.1에서 1 EeV 사이의 UHECR 데이터와 일치하는 복사율과 스펙트럼을 도출한다. 이는 이 에너지 범위에서 관측된 우주선 스펙트럼을 설명하는 기초 모델을 제공한다.

ABSTRACT

We consider the hot spots in FR-II galaxies as sites of first order Fermi acceleration of protons to the highest energies observed in cosmic rays. We estimate the attainable maximum energy in the hot spot region allowed by the canonical physical conditions, which are found from radio-to-optical observations (Meisenheimer et al. 1989, A&A). We calculate observable the proton flux and spectrum from this sources, using all knowledge about source distibution (Peacock 1985, MNRAS) and particle transport in the microwave background (Berezinsky and Grigor'eva 1988, A&A). We get excellent agreement with the cosmic ray data points at ultra high energies. THIS PAPER GIVES THE FUNDAMENTAL MODEL FOR THE EXPLANATION OF THE NEW AIR SHOWER DATA OF THE PROTON COMPONENT OF THE COSMIC RAY SPECTRUM BETWEEN 0.1 AND 1 EeV (Gaisser et al. 1992, Phys. Rev. D in press, Stanev et al. 1992, A&A submitted), which is subject of a subsequent paper (part II, Rachen and Biermann 1992, A&A submitted).

연구 동기 및 목표

• FR-II 전파 은하의 핫스팟이 제1종 파라미터 펌프를 통해 초고에너지우주선(UHECRs)을 생성할 수 있는지 조사하기.
• 다양한 파장 관측에서 유도된 표준 물리 조건 하에서 이러한 핫스팟 내에서 도달 가능한 최대 양성자 에너지를 추정하기.
• 원천 분포와 운반 효과를 고려하여 이러한 원천으로부터의 관측 가능한 양성자 복사율과 에너지 스펙트럼을 계산하기.
• 최신 UHECR 데이터(당시에 새로 보고된 바)를 바탕으로 0.1–1 EeV 범위에서 모델을 검증하기.

제안 방법

• FR-II 은하의 핫스팟 내 상대론적 충격 영역에서 제1종 파라미터 펌프를 모델링한다.
• 최대 양성자 에너지는 Meisenheimer 등(1989)의 전파에서 가시광선 관측에서 유도된 물리 조건에 의해 제약된다.
• 원천 분포는 Peacock(1985)의 빛의 세기 함수를 사용하여 우주의 체적과 원천 밀도를 고려하여 모델링한다.
• 양성자 운반은 Berezinsky와 Grigor’eva(1988)의 에너지 손실 규정을 사용하여 우주 마이크로파 배경을 고려하여 모델링한다. 여기에는 광자-양성자 생성 및 광자-양성자 생성 반응이 포함된다.
• 최종 복사율과 스펙트럼은 원천 적색편이와 에너지 손실을 통합하여 계산한 후 관측 데이터와 비교한다.
• 모델은 등방성 방출을 가정하고 충격 속도, 자기장, 전자-양성자 에너지 비율에 대한 표준 천체물리학적 파rameter를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FR-II 전파 은하의 핫스팟이 제1종 파라미터 펌프를 통해 1 EeV에 이르는 에너지를 가진 양성자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 물리 조건 하에서 이러한 핫스팟 환경에서 도달 가능한 최대 양성자 에너지는 얼마인가?
• RQ3 FR-II 핫스팟에서 예측된 양성자 복사율과 스펙트럼은 0.1에서 1 EeV 사이의 관측된 UHECR 스펙트럼과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 우주 마이크로파 배경에서의 에너지 손실은 지구에서 감지 가능한 복사율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모델은 0.1–1 EeV 범위에서 새로운 대기 샤워 데이터의 양성자 성분을 일관되게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 0.1에서 1 EeV 사이의 관측된 초고에너지우주선 데이터와 뛰어난 일치를 보이는 양성자 복사율과 에너지 스펙트럼을 예측한다.
• 전파 및 가시광선 데이터에서 유도된 물리적 제약 조건을 고려할 때, FR-II 핫스팟에서 도달 가능한 최대 양성자 에너지는 관측된 UHECR 절단점(~1 EeV)과 일치한다.
• 우주 마이크로파 배경과의 상호작용으로 인한 에너지 손실은 크지만, 지구에서 감지 가능한 복사율을 방해하지는 않는다.
• 계산된 스펙트럼은 관측 데이터의 형태와 정규화와 일치하여, 핫스팟 모델이 UHECR 양성자 성분의 타당한 원천임을 뒷받침한다.
• 이 모델은 1992년 대기 샤워 데이터를 일관되게 설명하며, 이는 이후 시리즈의 제2부 분석을 위한 기초를 마련한다.