[논문 리뷰] Origin and propagation of the highest energy cosmic rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|1996. 12. 22.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선(UHECRs)의 기원과 전파를 조사하며, 토폴로지 결함과 같은 낯설지 않은 원천이 필요하지 않은 채로, Fanaroff-Riley Class II 전파은하에서의 충격 가속이 관측된 데이터를 설명할 수 있음을 제안한다. 간행물 외부 복사장과 전자-광자 캐스케이드와의 상호작용을 분석하여, 표준 천체물리 메커니즘만으로도 충분하다는 결론을 내리지만, 확인을 위해 향상된 데이터와 복사장 추정치가 필요하다.

ABSTRACT

In this lecture I give an overview of shock acceleration, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 우주선(UHECRs)의 기원을 낯설지 않은 물리학을 도입하지 않고 표준 천체물리 메커니즘이 설명할 수 있는지 평가하기.
• UHECRs가 간행물 외부 복사장과 상호작용하면서 전파되는 방식을 분석하기.
• 전자-광자 캐스케이드가 관측된 UHECR 스펙트럼에 미치는 역할 평가하기.
• Fanaroff-Riley Class II 전파은하에서의 충격 가속이 가장 높은 에너지의 우주선에 대해 타당한 원천이 될 수 있는지 판단하기.
• UHECR 기원을 확인하기 위해 향상된 우주선 데이터와 간행물 외부 복사장 및 자기장 추정치가 필요한지 규명하기.

제안 방법

• UHECRs의 원천 메커니즘으로 Fanaroff-Riley Class II 전파은하에서의 이론적 모델링을 통한 충격 가속 과정을 사용한다.
• 고에너지 우주선이 간행물 외부 마이크로파 및 적외선 배경 복사장과 상호작용하는 방식을 분석한다.
• 간행물 간 매질에서 UHECR 상호작용에 의해 유도된 전자-광자 캐스케이드의 발달을 모델링한다.
• 에너지 손실 및 전파 계산을 적용하여 우주선이 원천에서 지구에 이르기까지의 진화를 추적한다.
• 예측된 스펙트럼과 복사량을 관측 데이터와 비교하여 표준 천체물리 원천과의 일관성을 시험한다.
• 톱올로지 결함 방출과 같은 낯설지 않은 대안 대비 비난설 모델의 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fanaroff-Riley Class II 전파은하에서의 충격 가속은 관측된 초고에너지 우주선의 복사량과 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 간행물 외부 복사장과의 상호작용은 UHECRs의 전파 및 에너지 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전자-광자 캐스케이드는 관측된 UHECR 에너지 스펙트럼을 어느 정도 수정하는가?
• RQ4 현재의 UHECR 데이터를 설명하기 위해 토폴로지 결함과 같은 낯설지 않은 원천이 필수적인가, 아니면 표준 천체물리 모델만으로도 충분한가?
• RQ5 UHECR 기원을 확인하기 위해 관측 데이터와 복사장/자기장 모델링에서 어떤 향상이 필요한가?

주요 결과

• Fanaroff-Riley Class II 전파은하에서의 충격 가속은 가장 높은 에너지의 우주선을 생성하는 타당한 천체물리 메커니즘이다.
• 간행물 외부 복사장과의 상호작용은 상당한 에너지 손실과 캐스케이드 발달을 유도하며, 이는 전파 모델에서 고려되어야 한다.
• UHECRs에 의해 유도된 전자-광자 캐스케이드는 관측된 에너지 스펙트럼을 변화시킬 수 있지만, 현재 데이터를 설명하기 위해 낯설지 않은 원천 모델이 필요하지 않다.
• 기존의 UHECR 데이터는 토폴로지 결함과 같은 낯설지 않은 원천을 도입할 필요가 없다.
• UHECR 기원을 명확히 규명하기 위해 향상된 우주선 측정과 간행물 외부 복사장 및 자기장에 대한 더 강력한 제약 조건이 필수적이다.