[논문 리뷰] Inhomogeneity in the Supernova Remnants as a Natural Explanation of the PAMELA/ATIC Observations

Tsvi Piran, Nir J. Shaviv외 1명|ArXiv.org|2009. 05. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 은하수의 spiral arm에 분포한 초신성 잔해(SNRs)의 비균일성은 새로운 물리학을 도입하지 않고도 PAMELA 및 ATIC 우주선 비정상성들을 자연스럽게 설명한다. 국소적이고 근접한 SNRs로부터의 전자 및 양성자 확산을 모델링함으로써, 저자들은 에너지에 따라 변화하는 냉각 및 확산 효과가 약 10 GeV 이상에서 비율이 증가하는 양성자/전자 비율을 생성함을 보여주며, 이는 PAMELA 데이터와 일치한다. 동시에 전자 스펙트럼은 근접한 SNRs(예: Geminga 및 Monogem Ring)의 기여로 약 600 GeV 부근에 피크를 보이며, 이는 ATIC 비정상성과 일치한다.

ABSTRACT

Recent measurements of the positron/electron ratio in the cosmic ray (CR) flux exhibits an apparent anomaly, whereby this ratio increases between 10 and 100 GeV. In contrast, this ratio should decrease according to the standard scenario, in which CR positrons are secondaries formed by hadronic interactions between the primary CR protons and the interstellar medium (ISM). The positron excess is therefore interpreted as evidence for either an annihilation/decay of weakly interacting massive particles, or for a direct astrophysical source of pairs. The common feature of all proposed models is that they invoke new physics or new astrophysical sources. However, this line of argumentation relies implicitly on the assumption of a relatively homogeneous CR source distribution. Inhomogeneity of CR sources on a scale of order a kpc, can naturally explain this anomaly. If the nearest major CR source is about a kpc away, then low energy electrons (~GeV) can easily reach us. At higher energies (> 10 GeV), the source electrons cool via synchrotron and inverse-Compton before reaching the solar vicinity. Pairs formed in the local vicinity through the proton/ISM interactions can reach the solar system also at high energies, thus increasing the positron/electron ratio. A natural origin of source inhomogeneity is the strong concentration of supernovae to the galactic spiral arms. Assuming supernova remnants (SNRs) as the sole primary source of CRs, and taking into account their concentration near the galactic spiral arms, we consistently predict the observed positron fraction between 1 and 100 GeV, while abiding to different constraints such as the observed electron spectrum and the CRs cosmogenic age. An ATIC like spectral excess at ~600 GeV can be explained, in this picture, as the contribution of a few known nearby SNRs.

연구 동기 및 목표

• 어두운 물질이나 새로운 천체물리학적 원천을 도입하지 않고도 7 GeV 이상에서 증가하는 양성자/전자 비율인 PAMELA 비정상성을 설명하기 위해.
• ATIC에서 관측된 약 600 GeV 부근에서 전자 스펙트럼에 나타나는 초과 현상이 근접한 SNRs 기여의 결과임을 설명하기 위해.
• 확산 모델에서 우주선 원천 분포가 균일하다는 표준 가정을 도전하기 위해.
• 은하수의 spiral arm에 존재하는 비균일한 SNR 분포가 양성자 비율과 전자 스펙트럼 비정상성을 동시에 재현할 수 있음을 보여주기 위해.
• 어두운 물질나 새로운 천체물리학적 원천 없이도 알려진 은하 내 구조물에서 유래한 확산 효과를 통해 두 비정상성을 통합적으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 은하를 두께 $ l_H \sim 1 $ kpc인 2차원 판으로 모델링하고, 확산 계수 $ D(E) \propto E^\beta $를 일정하게 가정한다.
• 해석적 확산 방정식을 사용하여 거리 $ d \approx 1 $ kpc에 위치한 단일 원천으로부터의 전자 및 양성자 플럭스를 계산하며, 싱크로트론 및 역-컴프턴 냉각을 고려한다.
• 양성자/전자 비율이 감소에서 증가로 전환되는 임계 에너지 $ E_b \approx 10 $ GeV를 계산하며, 이는 $ \tau_c(E_b) \approx \min\{ \tau_x(E_b), (\tau_e \tau_x)^{1/2} \} $ 기반이다.
• Geminga, Monogem, Cygnus Loop 등의 근접한 여러 SNRs의 기여를 포함하여 약 600 GeV 부근에서 전자 스펙트럼의 뾰족함을 모델링한다.
• 우주선의 우주 생성 연령을 $ a(E_b) \gtrsim \tau $로 계산하며, 관측된 값과 일치한다.
• 모델 예측을 PAMELA, ATIC, HESS, Fermi 데이터와 비교하며, 태양 조절 효과(200–1200 MV)를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 약 10 GeV 이상에서의 양성자/전자 비율 증가가 새로운 물리학을 도입하지 않고도 표준 우주선 확산 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 ATIC에서 관측된 약 600 GeV 부근의 전자 스펙트럼 뾰족함이 어두운 물질 신호가 아니라 근접한 SNRs의 기여에서 기인하는가?
• RQ3 특히 spiral arm에 존재하는 SNRs의 비균일한 원천 분포가 양성자 분율의 에너지 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 알려진 SNR 위치와 표준 확산 물리학만을 사용하여 관측된 전자 스펙트럼과 양성자 비율을 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ5 이 비균일 모델에서 100 GeV 이상에서의 양성자 분율의 에너지 의존성은 어떻게 되며, 주 원천 모델과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 이 모델은 Sagittarius-Carina spiral arm에 약 1 kpc 거리에 위치한 근접한 SNRs의 냉각 및 확산 효과를 기반으로 하여, PAMELA에서 관측된 약 10 GeV 이상에서의 양성자/전자 비율 증가를 재현한다.
• 전자 스펙트럼은 Geminga, Monogem Ring, Loop I 등의 근접한 SNRs의 기여로 약 600 GeV 부근에 뾰족함을 보이며, 이는 ATIC 초과 현상과 일치한다.
• 1 GeV per nucleon 우주선의 우주 생성 연령은 약 14 Myr로 예측되며, 관측 결과와 일치한다.
• 양성자 분율은 약 100 GeV 이상에서 냉각으로 인해 감소한 후 ATIC 피크 부근(약 600 GeV)에서 再상승할 것으로 예측되며, 이는 주 원천 모델이 계속 상승을 예측하는 것과 대조된다.
• 이 모델은 알려진 SNR 위치에서 유래한 확산 효과를 통해 PAMELA 및 ATIC 비정상성을 동시에 설명함으로써 어두운 물질이나 새로운 천체물리학적 원천이 필요 없음을 보여준다.
• 몇 TeV 이상에서는 제2차 양성자 정규화가 낮은 에너지 대비 약 10배 낮아질 것으로 예측되며, 이는 국소 버블 내에서 제2차 입자가 생성되어야 한다는 핵심 검증 가능 예측이다.