[논문 리뷰] On the Propagation of Extragalactic High Energy Cosmic and Gamma-Rays

Sangjin Lee|CERN Bulletin|1996. 04. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 10⁸에서 10²³ eV의 범위에서 은하간 고에너지 우주선과 감마선의 종합적인 수치적 연구를 제시한다. 이들은 우주복사 배경과 자기장 속에서의 전파를 모델링한다. 자가일관된 운반 코드를 사용하여, 대통합 스케일 물리학 또는 천체물리학적 감마선 폭발에 기반한 모델이 초고에너지 우주선 기원을 설명하는 데 여전히 타당하다는 것을 발견한다.

ABSTRACT

The origin and nature of ultrahigh energy cosmic rays with energies above $10^{20}\,$eV is a puzzle for the physics and astrophysics of cosmic rays which is still unresolved. In this paper, I report on an extensive study on the propagation of extragalactic nucleons, $γ$-rays, and electrons in the energy range between $10^8\,$eV and $10^{23}\,$eV. I have devised an efficient numerical method to solve the transport equations for cosmic ray spectral evolution. The universal radiation background spectrum in the energy range between $\simeq 10^{9}\,$eV and $\simeq 1\,$eV is considered in the numerical code, including the diffuse radio background, the cosmic microwave background, and the infrared/optical background, as well as a possible extragalactic magnetic field. I apply the code to compute the particle spectra predicted by various models of ultrahigh energy cosmic ray origin. A comparison with the observed fluxes, especially the diffuse $γ$-ray background in several energy ranges, allows one to constrain certain classes of models. I conclude that scenarios which attribute the highest energy cosmic rays to Grand Unification Scale physics or to cosmological Gamma Ray Bursts are viable at the present time.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지우주선(UHECRs)의 기원과 전파를 이해하기 위해 10²⁰ eV 이상에서 발생하는 오랫동안 미해결된 천체물리학 문제를 다루는 것.
• 넓은 에너지 범위(10⁸–10²³ eV)에서 은하간 핵종, 감마선, 전자에 대한 스펙트럼 진화를 모델링하는 것.
• 우주복사 배경(우주마이크로파배경, 적외선/광학, 확산 라디오 성분 포함)을 전파 계산에 통합하는 것.
• 예측된 스펙트럼을 관측된 확산 감마선 배경 플럭스와 비교하여 UHECR 기원 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 은하간 자기장이 우주선 전파 및 에너지 손실 메커니즘에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 우주선 스펙트럼 진화를 지배하는 운반 방정식을 효율적으로 수치적으로 해결하기 위한 방법을 개발하였다.
• 우주마이크로파배경, 적외선/광학, 확산 라디오 성분을 포함하여 약 1 eV에서 약 10⁹ eV의 범위에서의 일반적인 복사 배경 스펙트럼을 통합하였다.
• 배경 광자 존재 하에서 핵종의 광생산 및 전자의 역컴프턴 산란과 같은 에너지 손실 메커니즘을 통합하였다.
• 은하간 자기장이 가속된 입자의 경로와 에너지 손실에 미치는 영향을 모델링하였다.
• 운반 코드를 사용하여 다양한 UHECR 기원 모델에 대한 예측된 입자 스펙트럼을 계산하였다.
• 특히 여러 에너지 대역에서의 확산 감마선 배경과의 관측 제약 조건과 모델 출력을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하간 우주선과 감마선은 그 기원에서 지구까지 은하간 공간을 어떻게 전파되는가?
• RQ2 우주복사 배경(CMB, IR/광학, 라디오)은 고에너지 입자의 에너지 손실과 스펙트럼 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 은하간 자기장은 초고에너지우주선의 궤적과 에너지 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대통합 스케일 물리학이나 천체물리학적 감마선 폭발과 같은 UHECR 기원 모델 중에서 관측된 확산 감마선 배경을 가장 잘 재현하는 것은 무엇인가?
• RQ5 현재의 확산 감마선 플럭스 측정치를 바탕으로 UHECR 기원 모델에 어떤 제약 조건을 둘 수 있는가?

주요 결과

• 수치적 코드는 10⁸ eV에서 10²³ eV의 전체 에너지 범위에서 높은 정확도로 우주선을 성공적으로 모델링하였다.
• 대통합 스케일 물리학에 기인한 초고에너지우주선 모델은 여전히 타당하며, 확산 감마선 배경과 일치하는 스펙트럼을 예측하기 때문이다.
• 천체물리학적 감마선 폭발 모델 또한 현재의 관측 제약 조건, 특히 확산 감마선 플럭스에 대해 일관성을 유지하고 있다.
• 10¹⁹ eV 이상에서 프로톤의 광생산과 전자의 역컴프턴 산란에 의한 에너지 손실은 각각 중요하게 작용한다.
• 은하간 자기장은 가속된 입자를 휘게 하며 중요한 역할을 하지만, 그 강도와 일관성은 천체물리학적 기원 시나리오를 배제하지 않는다.
• 10¹⁰–10¹⁴ eV 범위의 확산 감마선 배경은 UHECR 기원 모델에 강력한 제약 조건을 둔다. 이는 고에너지 주입 스펙트럼과 효율적인 감마선 생성 메커니즘을 가진 모델을 선호한다.