[논문 리뷰] Voyager 1 Measurements Beyond the Heliopause of Galactic Cosmic Ray Helium, Boron, Carbon, Oxygen, Magnesium, Silicon and Iron Nuclei with Energies 0.5 to >1.5 GeV/nuc

W. R. Webber, N. Lal외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 0.5에서 >1.5 GeV/nuc의 에너지 범위에서 헬리오파울러를 초월한 별간우주선 스펙트럼에 대한 헬륨, 붕소, 탄소, 산소, 마그네슘,珪, 철 핵의 첫 번째 직접 측정을 보고한다. 바이오저 1의 고에너지 탐지기(HET)를 통해 수행되었으며, 강한 Z-의존성 강도 비율과 피크 에너지 특징을 확인하여 국소 간성간 매질 내 복잡한 확산 효과와 원천 비균일성을 시사한다.

ABSTRACT

We have obtained the energy spectra of cosmic ray He, B, C, O, Mg, S and Fe nuclei in the range 0.5-1.5 GeV/nuc and above using the penetrating particle mode of the High Energy Telescope, part of the Cosmic Ray Science (CRS) experiment on Voyagers 1 and 2. The data analysis procedures are the same as those used to obtain similar spectra from the identical V2 HET telescope while it was in the heliosphere between about 23 and 54 AU. The time period of analysis includes 4 years of data beyond the heliopause (HP). These new interstellar spectra are compared with various earlier experiments at the same energies at the Earth to determine the solar modulation parameter, phi. These new spectra are also compared with recent measurements of the spectra of the same nuclei measured by the same telescope at low energies. It is found that the ratio of intensities at 100 MeV/nuc to those at 1.0 GeV/nuc are significantly Z dependent. Some of this Z dependence can be explained by the Z2 dependence of energy loss by ionization in the 7-10 g/cm2 of interstellar H and He traversed by cosmic rays of these energies in the galaxy; some by the Z dependent loss due to nuclear interactions in this same material; some by possible differences in the source spectra of these nuclei and some by the non-uniformity of the source distribution and propagation conditions. The observed features of the spectra, also including a Z dependence of the peak intensities of the various nuclei, pose interesting problems related to the propagation and source distribution of these cosmic rays.

연구 동기 및 목표

• 헬리오파울러를 초월한 0.5에서 >1.5 GeV/nuc의 에너지 범위에서 헬륨, 붕소, 탄소, 산소, 마그네슘,珪, 철 핵의 은하간우주선 스펙트럼 에너지 스펙트럼을 측정하기.
• 지구 기반 이전 측정치와 바이오저 1의 간성간 스펙트럼을 비교하여 태양 조절 매개변수 φ를 결정하기.
• 확산 및 원천 분포 효과를 이해하기 위해 은하간우주선 강도 비율과 피크 강도의 Z-의존성을 조사하기.
• 은하간 매질 내 이온화 및 핵 에너지 손실이 은하간우주선 스펙트럼에 미치는 영향을 분석하기.
• 헬리오스피어 내에서 동일한 기기로 측정한 저에너지 스펙트럼과 헬리오파울러를 초월한 고에너지 스펙트럼을 비교하기.

제안 방법

• 바이오저 1의 우주선 과학(CRS) 실험에 내장된 고에너지 탐지기(HET)의 관통 입자 모드를 사용하여 고에너지 은하간우주선 핵을 탐지하였다.
• 헬리오스피어 단계(23–54 AU) 동안 바이오저 2의 HET 데이터 분석과 동일한 데이터 분석 절차를 적용하여 일관성을 확보하였다.
• 헬리오파울러를 횡단한 지 4년 간의 기간 동안 에너지 스펙트럼을 측정하여 진정한 간성간 매질의 데이터를 확보하였다.
• 유도된 간성간 스펙트럼을 이전 지구 기반 측정치와 비교하여 태양 조절 매개변수 φ를 유도하였다.
• 이온화 손실, 핵 상호작용, 원천 스펙트럼 변화의 기여를 분리하기 위해 강도 비율의 Z-의존성(예: 100 MeV/nuc에서 1.0 GeV/nuc)을 분석하였다.
• 은하간 매질 내 수소 및 He의 열량 밀도(~7–10 g/cm²)를 통합하여 에너지 손실 효과를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5에서 >1.5 GeV/nuc의 에너지 범위에서 헬리오파울러를 초월한 은하간우주선 핵(헬륨, 붕소, 탄소, 산소, 마그네슘,珪, 철)의 에너지 스펙트럼은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이 핵들에 대해 100 MeV/nuc에서 1.0 GeV/nuc 사이의 강도 비율은 원자번호 Z에 따라 어떻게 의존하는가? 이에 대한 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 은하간 매질(H 및 He) 내 이온화 및 핵 에너지 손실이 관측된 Z-의존성 스펙트럼 특징에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 관측된 스펙트럼은 헬리오스피어 내 및 지구에서 측정된 스펙트럼과 어떻게 비교되며, 이는 태양 조절 매개변수 φ에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 Z-의존성 피크 강도와 스펙트럼 형태는 은하간우주선 원천 분포의 비균일성과 확산 조건에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 100 MeV/nuc에서 1.0 GeV/nuc 사이의 은하간우주선 핵 강도 비율은 원자번호 Z에 따라 강하게 의존하며, 무거운 핵일수록 더 큰 비율을 나타낸다.
• Z-의존성 강도 비율의 상당 부분은 은하간 매질을 통과하는 동안 발생하는 Z²에 비례하는 이온화 에너지 손실에 기인한다. 이 손실은 약 7–10 g/cm²의 은하간 수소 및 헬륨을 통과할 때 발생한다.
• 핵 상호작용에 의한 기여와 원소 간 원천 스펙트럼의 차이가 Z-의존성에 추가 기여한다.
• 다른 핵에 대한 스펙트럼의 피크 강도는 Z에 따라 변동하며, 이는 비균일한 확산 및 원천 조건을 시사한다.
• 관측된 스펙트럼 특징, 즉 Z-의존성 강도 비율과 피크 위치는 단순한 은하간우주선 확산 모델을 도전하며 복잡한 원천 분포를 시사한다.
• 이전 지구 기반 측정치와의 비교에 기반하여 도출된 간성간 스펙트럼은 태양 조절 매개변수 φ가 약 0.4 MV임을 일관되게 지지한다.