[논문 리뷰] The energy production rate density of cosmic rays in the local universe is $\sim10^{44-45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ at all particle energies

Boaz Katz, Eli Waxman외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 관측된 모든 에너지 범위(지그바이트에서 에이브이까지)의 간성선이 하나의 유일한, 균일한 원천 집단으로부터 기인하며, 에너지 생산 스펙트럼이 평탄한 것으로 추정되며, 이는 입자 에너지에 관계없이 약 10⁴⁴–⁴⁵ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹이다. 저자들은 저에너지(Milky Way 및 스타버스트 은하), 중간에너지(iceCube 중성미자 과잉), 초고에너지 간성선(UHECR) 데이터 간의 일관성을 통해 이 결론을 이끌어내었으며, 이는 초신성 잔재와 같은 별개의 원천이 아닌, 통일된 가속 메커니즘이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

The energy output (per logarithmic interval of particle energies) of Cosmic Rays (CRs) with energies $10{ m GeV}\lesssim\varepsilon_p\lesssim100{ m GeV}$ is $\sim 10^{47} m erg$ per solar mass of star$-$formation, based on the CR production rate in the Milky Way and in starburst galaxies, implying a generation rate of $\varepsilon_p^2Q\sim 10^{45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ in the local universe. It is only $\sim 10$ times larger than the output, $\varepsilon_p^2 Q=0.5\pm0.2 imes 10^{44} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$, of Ultra High Energy CRs (UHECRs) at energies $10^{10.5}{ m GeV}

연구 동기 및 목표

• 관측된 모든 에너지 범위에서 국지 우주 내 간성선의 에너지 생산률 밀도를 결정하는 것.
• 저에너지, 중간에너지, 초고에너지 간성선에서 관측된 간성선 플럭스를 하나의 통일된 간성선 생산 메커니즘으로 설명하는 것.
• 에너지 범위 10개 옥타브에 걸쳐 에너지 생산률이 유사한지 확인하기 위해 ε²Q ≈ const 형태의 평탄한 생산 스펙트럼이 일관된지 테스트하는 것.
• 초신성 잔여물이 주요 간성선 원천이라는 전통적 견해를 도전하기 위해, 이들의 에너지 출력이 모든 에너지에서 관측된 간성선 플럭스를 설명하기에 부족함을 보여주는 것.
• 통일된 간성선 생산 스펙트럼이 일시적 천체물리적 원천과 은하 내 간성선 전파에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 은하수 및 스타버스트 은하 데이터로부터 별 형성률(SFR) 스케일링을 이용해 저에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁰–10¹¹ eV)을 추정하여, εₚ²Q ~ 10⁴⁵ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹를 도출한다.
• IceCube 중성미자 과잉 데이터로부터 중간에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁷ eV)을 유도하며, 이 중성미자가 UHECR의 π-붕괴에서 기인한다고 가정하여, εₚ²Q ≥ 0.5×10⁴⁴ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹를 산출한다.
• 초고에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV)을 관측된 플럭스를 기반으로 추정하며, 수소 성분을 가정하고 CMB 상호작용 및 에너지 손실을 고려한다.
• 세 가지 추정치를 비교하여, 에너지 범위 전반에서 εₚ²Q ≈ const 형태의 평탄한 생산 스펙트럼이 일관된지 테스트한다.
• 은하 내 간성선의 갇힘과 관련하여, 관측된 플럭스와 예측된 에너지 밀도 간의 일치를 위해 일시적 원천이 필요한지 평가한다.
• Waxman-Bahcall 경계와 전파 모델을 사용하여 원천의 특성, 특히 사고 빈도와 사건당 에너지 출력을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 모든 입자 에너지에서 국지 우주 내 간성선의 에너지 생산률 밀도가 약 일정한가? 데이터가 이를 시사하는가?
• RQ2 저에너지, 중간에너지, 초고에너지 간성선의 관측 플럭스는 하나의 통일된 원천 집단과 평탄한 에너지 생산 스펙트럼으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 평탄한 생산 스펙트럼이 간성선 원천의 성격과 수명에 어떤 영향을 미치는가? 특히 갇힘과 전파 효과를 고려할 때 어떻게 되는가?
• RQ4 기존 연구에서 더 부드러운 스펙트럼을 제안한 바와 현재의 간성선 생산률 추정치가 다른 이유는 무엇이며, 이전 연구에서 주요 오류 요인은 무엇인가?
• RQ5 관측된 간성선 및 중성미자 플럭스는 일시적 간성선 원천의 에너지 출력과 발생 빈도에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 국지 우주 내 간성선의 에너지 생산률 밀도는 모든 입자 에너지에서 약 10⁴⁴–⁴⁵ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹이며, 이는 εₚ²Q ≈ const 형태의 평탄한 생산 스펙트럼을 시사한다.
• 저에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁰ eV)은 은하수 및 스타버스트 은하 데이터에서 SFR 스케일링을 통해 약 10⁴⁵ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹로 추정된다.
• IceCube 중성미자 과잉에서 유도된 중간에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁷ eV)은 ≥0.5×10⁴⁴ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹이며, 저에너지 추정치와 약 10배 이내로 일관된다.
• 초고에너지 간성선 생산률(εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV)은 수소 성분을 가정할 경우 약 0.5×10⁴⁴ 에르그 Mpc⁻³ yr⁻¹로 추정되며, 중성미자 과잉에서의 하한선과 일치한다.
• 이 세 가지 추정치의 일관성은 에너지 범위 10개 옥타브에 걸쳐 통일된 평탄한 에너지 생산 스펙트럼이 존재함을 지지하며, 다양한 에너지에서 다른 원천(예: 초신성)이 지배한다고 보는 개념을 도전한다.
• ‘어금니’(약 5×10¹⁵ eV) 이상의 관측된 간성선 플럭스 감소 원인은 가속 한계 때문이 아니라 은하 내 전파 효과 때문임을 시사하며, 이는 본질적인 원천 스펙트럼이 평탄함을 의미한다.