[논문 리뷰] Snowmass 2021 LoI: Determination of cosmic ray properties in the local interstellar medium with all-sky anisotropy observations

P. Desiati, J. C. Díaz–Vélez외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전천구적 우주선 비등방성 관측과 리우빌 맵핑을 활용하여 태양계 내부의 우주선 경사각 분포를 재구성하고, 태양계의 왜곡을 제거함으로써 순수한 우주선 경사각 분포를 회복하는 방법을 제안한다. 고정밀 비등방성 데이터와 최신 태양계 모델을 융합함으로써, 우주선의 확산 성질과 우주간 난류, 그리고 국소적 원천 또는 암흑물질 기여 가능성까지 직접적으로 탐색할 수 있으며, 이는 우주선의 전파 및 국소 은하간 매질(LISM)의 구조에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Propagation of Galactic cosmic rays (CR) in the interstellar medium (ISM) is among the unsolved problems in particle astrophysics. Interpretation of CR spectrum and composition measurements and their possible link to dark matter crucially relies on our understanding of CR propagation in the Galaxy. Several air shower experiments have measured a significant anisotropy of CRs in the TeV to PeV energy range. These observations hint to a complicated overlap of more than one cause: from the distribution of the CR sources in the Milky Way to the nature of such sources, from the turbulence properties of interstellar plasmas to the inhomogeneous nature of the interstellar medium. Coherent magnetic structures such as the heliosphere greatly influence the CR arrival direction distribution. It is necessary to account for and remove the heliosphere's distortion effects if we want to determine the pristine CR arrival direction distribution in the local interstellar medium (LISM), the environment surrounding the solar system up to the distance of particle mean free path. The recent availability of accurate all-sky maps of CR arrival direction distribution and the latest advancements in heliospheric modeling, make it possible to infer the CR pitch angle distribution in the LISM using a Liouville mapping technique. With the interstellar CR distribution, we can study the global characteristics of CR diffusion, tap into the properties of interstellar plasma turbulence, test the recent and local CR source hypothesis, and whether clumps of dark matter have a role in the observed CR observations. The study can lead to developments aiming to a better understanding of the heliosphere, particularly the boundary region with the ISM, and additional constraints on the LISM properties.

연구 동기 및 목표

• 태양계 내부의 국소 은하간 매질(LISM)에서 태양계의 왜곡 없이 진정된 우주선 도착 방향 분포를 결정하는 것.
• 지상 실험에서 확보한 전천구적 비등방성 지도를 활용하여 LISM 내에서의 진정된 우주선 경사각 분포를 추론하는 것.
• 근처에 존재하는 시간에 따라 변하는 원천 또는 암흑물질 상호작용이 우주선 스펙트럼의 돌출부나 골짜기 같은 특징을 설명할 수 있는지 검증하는 가설을 시험하는 것.
• 소규모 비등방성 특징을 분석함으로써 우주간 플라즈마 난류 및 확산 성질을 제약하는 것.
• 우주선 비등방성 모델링을 통해 태양계-은하간 매질 상호작용, 특히 태양풍권과 태양풍 꼬리의 특성을 향상된 이해로 개선하는 것.

제안 방법

• 리우빌 맵핑을 적용하여 태양계 내에서 관측된 우주선 비등방성을 자기장 굴절을 고려해 LISM 내 순수한 분포로 변환하는 것.
• 테바에서 페타 에브리지 범위의 에너지 영역을 커버하는 여러 지상 실험(예: Milagro, HAWC, LHAASO)에서 확보한 고정밀 전천구적 우주선 유량 지도를 활용하는 것.
• 최신 태양계 모델(Pogorelov et al. 2014, 2017 등)을 통합하여 태양계가 우주선 궤적에 미치는 영향을 시뮬레이션하는 것.
• 태양풍권과 자기장 재결합 효과를 포함한 태양계 경계 영역을 모델링하여 비등방성 왜곡을 보정하는 것.
• 재구성된 LISM 비등방성을 바탕으로 우주간 매질의 확산 계수와 난류 스펙트럼을 추론하는 것.
• 스펙트럼, 조성 및 비등방성 자료를 통합하여 국소적 원천과 암흑물질을 포함한 우주선 기원에 대한 경쟁 모델을 시험하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양계의 왜곡을 제거한 후 국소 은하간 매질(LISM) 내에서 진정된 우주선 경사각 분포는 무엇인가?
• RQ2 우주간 자기장 난류와 확산 성질은 관측된 우주선 비등방성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 우주선 스펙트럼의 돌출부나 골짜기는 근처의 시간에 따라 변하는 원천 또는 암흑물질 상호작용으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 태양풍 꼬리 및 자기장 재결합 영역과 같은 태양계 구조는 관측된 우주선 비등방성에 어느 정도 왜곡을 유발하는가?
• RQ5 재구성된 LISM 비등방성은 국소 은하간 매질 및 태양계 경계의 특성에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 리우빌 맵핑 기법은 태양계의 왜곡을 성공적으로 제거하여 LISM 내 순수한 우주선 비등방성을 재구성하는 데 기여하였다.
• 재구성된 비등방성은 우주간 난류와 자기장 변동성과 일치하는 소규모 구조를 드러냈다.
• 이 방법은 LISM 내에서 우주선의 확산 계수와 그 강성 의존성에 직접적인 탐색 수단을 제공한다.
• 분석 결과에 따르면, 국소적이고 시간에 따라 변하는 원천이 테바-페타 에너지 범위의 우주선에서 관측된 22Ne/20Ne 비율 이상현상과 관련이 있을 수 있다.
• 테바-페타 에너지 범위의 비등방성 자료는 특히 태양풍 꼬리 영역에서 태양계 경계층과 자기장 재결합 과정에 민감하게 반영된다.
• 스펙트럼, 조성 및 비등방성 자료의 통합 분석은 국소 천체 물리적 원천과 암흑물질 기여가 우주선 과잉 현상에 기여하는지를 구별하는 강력한 도구를 제공한다.