[논문 리뷰] The High Energy Cosmic Ray Electron Spectrum measured by Fermi Gamma-Ray Space Telescope: some possible interpretations

Giuseppe Di Bernardo, Daniele Gaggero외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT가 7 GeV까지 연장된 고에너지 우주선 전자(CRE) 스펙트럼을 두 성분 모델로 가장 잘 설명할 수 있다고 제안한다: 전통적인 은하계 전자 성분과 펌프서에서 유래한 추가적인 1차 전자-양전자 성분. 펌프서 기원 모델은 페르미-LAT 전자 스펙트럼, H.E.S.S.의 고에너지 기울기 변화, 그리고 페멜라의 양전자 비율 상승을 성공적으로 재현하며, 관측된 비정상성에 자연스러운 천체물리학적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope (LAT) has provided the measurement of the high energy cosmic ray electrons plus positrons (CRE) spectrum with unprecedented accuracy form 20 GeV to 1 TeV. Recently this range has been extended down to ~ 7 GeV. The spectrum shows no prominent features and it is significantly harder than that inferred from several previous experiments. While the reported Fermi-LAT data alone may be interpreted in terms of a single (electron dominated) Galactic component, when combined with other complementary experimental results, specifically the CRE spectrum measured by H.E.S.S., and especially the positron fraction measured by PAMELA, an additional electron and positron component seems to be required. We show that the acceleration of electron-positron pairs in Galactic pulsars may offer a natural (though not unique) interpretation of all those results.

연구 동기 및 목표

• 7 GeV에서 1 TeV까지의 고정밀 페르미-LAT CRE 스펙트럼, 특히 새로운 저에너지 데이터를 포함하여 해석하기.
• 페르미-LAT 전자 스펙트럼의 딱딱한 특성과 페멜라가 측정한 증가하는 양전자 비율 간의 갈등을 해결하기.
• 펌프서 기원 전자-양전자 성분이 페르미-LAT, H.E.S.S., 페멜라 데이터를 동시에 설명할 수 있는지 테스트하기.
• 기존 은하계 전자와 1차 펌프서 전자 성분으로 구성된 두 성분 모델이 관측 제약 조건과 얼마나 일치하는지 평가하기.
• 펌프서가 추진하는 입자 가속이 난잡한 원천을 도입하지 않고도 관측된 스펙트럼 특징을 설명할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 확산-손실 방정식을 사용해 은하계 간성선 입자 확산을 시뮬레이션하는 GALPROP 코드를 사용해 CRE 스펙트럼을 모델링하기.
• 스펙트럼 지수 δ = 0.33인 코모고로프 유사 확산 계수를 적용하고, 전자 주입 지수 γ₀를 다양하게 조정하기.
• 스핀 다운 빛의 세기와 조정 가능한 매개변수(에너지 절단점 E_cut, 쌍생성 효율 η_e±, 지연 시간 Δt, 스펙트럼 지수 Γ)를 사용해 펌프서에서 유래한 2차 전자-양전자 성분을 도입하기.
• 3 kpc 이내의 개별 펌프서에서 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해 ATNF 펌프서 목록을 사용하고, 물리적으로 타당한 범위 내에서 매개변수를 무작위화하기.
• 페르미-LAT, H.E.S.S., 페멜라 데이터와 태양 조절 효과(힘장 근사법, Φ = 0.45 GV 또는 550 MV)를 포함해 총합된 펌프서 기여도를 비교하기.
• δ ≈ 0.5(Kraichnan 유사)와 γ₀ ≈ -2.6 조합을 테스트해 저에너지 데이터(페멜라 및 페르미-LAT)와의 일치도를 향상시키기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 확산 조건을 가진 단일 전통적 은하계 전자 성분만으로 전체 페르미-LAT CRE 스펙트럼과 페멜라의 양전자 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ2 20 GeV 이상의 페르미-LAT 데이터를 잘 맞추기 위해 필요한 스펙트럼 지수와 확산 모델은 무엇이며, 저에너지 데이터와 일치하는가?
• RQ3 펌프서 기원 전자-양전자 주입이 페르미-LAT 스펙트럼에서 약 70 GeV에서 관측된 딱딱한 특성과 500 GeV 이상에서의 기울기 변화를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 펌프서 기원 성분이 페멜라가 관측한 증가하는 양전자 비율과 H.E.S.S.가 보여준 고에너지 행동을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 E_cut, η_e±, Δt, Γ와 같은 펌프서 매개변수의 변화에 따라 결과가 얼마나 민감한가? 어떤 조합이 다기관 데이터에 가장 잘 맞는가?

주요 결과

• 7 GeV에서 1 TeV까지의 페르미-LAT CRE 스펙트럼은 기울기 γ = -3.08의 거듭제곱 법칙과 일치하며, 약 70 GeV에서 딱딱한 특성과 약 500 GeV 이상에서 기울기 변화의 힌트를 보인다.
• δ = 0.33 및 γ₀ = -2.42/2.5를 사용한 단일 성분 은하계 모델은 저에너지 페르미-LAT 및 AMS-01 데이터를 재현하지 못하며, 페멜라의 양전자 비율을 과도하게 예측한다.
• 펌프서에서 유래한 1차 전자-양전자 성분을 포함한 두 성분 모델은 페르미-LAT, H.E.S.S., 페멜라 데이터에 더 나은 적합도를 보인다.
• 1 < E_cut < 1.8 TeV, 10 < η_e± < 40%, 5 < Δt/10⁴ yr < 10, 1.5 < Γ < 2.0의 범위 내에서 매개변수를 가진 펌프서 모델은 관측된 CRE 스펙트럼과 양전자 비율을 재현할 수 있다.
• 펌프서 기원 성분의 포함으로 인해 표준 모델이 설명하지 못하는 딱딱한 페르미-LAT 스펙트럼과 증가하는 페멜라 양전자 비율 간의 갈등이 해결된다.
• δ ≈ 0.5(Kraichnan 유사 확산)와 γ₀ ≈ -2.6 조합은 δ = 0.33보다 저에너지 페멜라 데이터까지 포함한 전체 데이터셋에 더 나은 적합도를 보인다.