[論文レビュー] A Comparison of the Galactic Cosmic Ray H, He and C/O Nuclei Spectra Measured Between ~5 and 500 MeV/nuc Beyond 122 AU at Voyager 1 with the Predictions of a Diffusion Model for Propagation in the Galaxy

W. R. Webber, P. R. Higbie+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、122 AUを超える距離で測定されたボイジャー1号による銀河宇宙線水素、ヘリウム、炭素/酸素スペクトル（5–500 MeV/nuc）を、宇宙線伝搬の拡散モデルの予測と比較している。モデルは、普遍的なP^-2.24入射スペクトルと剛性依存の拡散係数を用い、ボイジャー1のデータおよび高エネルギーのPAMELA/BESSデータと良好な一致を示しており、100 GeV/nucまで一貫した剛性スペクトルが成立していることが示唆される。30 MeV/nuc未満ではわずかな偏差が見られ、これは伝搬または源の効果を示唆している可能性がある。

ABSTRACT

After the disappearance of lower energy heliospheric particles at Voyager 1 starting on August 25th, 2012, spectra of H, He and C/O nuclei were revealed that resembled those to be expected for galactic cosmic rays. These spectra had intensity peaks in the range of 30-60 MeV, decreasing at both lower energies down to a few MeV and at higher energies up to several hundred MeV. We have modeled the propagation of these particles in the galaxy using an updated Leaky Box Diffusion model which determines the spectra of these components from ~2 MeV to >200 GeV. The key parameters used in the model are a galactic input spectrum ~P^-2.24, the same for all components and independent of rigidity, and a diffusion coefficient that is ~P^0.5 above a lower rigidity and increases ~beta^-1.0 below a lower rigidity ~0.56 GV. These same parameters also fit the high energy H and He data from ~10-200 GeV/nuc from the PAMELA and BESS experiments. The new Voyager spectra for all three nuclei are thus consistent with rigidity spectra ~P^-2.24 from the lowest energies to at least 100 GeV. Deviations from this spectrum can reasonably be attributed to propagation effects. Some deviations between the calculated and newly observed spectra are noted, however, below ~30 MeV/nuc, particularly for C/O nuclei, that could be significant regarding the propagation and sources of these particles.

研究の動機と目的

• 122 AUを超える距離で、太陽系のモジュレーションが終了した領域におけるボイジャー1号が測定したH、He、C/O核の銀河宇宙線スペクトルを分析すること。
• 観測されたスペクトルが、銀河内宇宙線伝搬の拡散モデルの予測と一致するかどうかを検証すること。
• PAMELAおよびBESS実験の高エネルギーデータと観測スペクトルの整合性を評価すること。
• 予測スペクトルからの測定可能なずれを特定し、その伝搬物理学または源組成への影響を評価すること。

提案手法

• 本研究では、剛性が約2 MeVから200 GeVを超える範囲で宇宙線伝搬をシミュレートする更新済みのLeaky Box Diffusionモデルを採用している。
• モデルは、すべての核種に対して剛性に依存しない普遍的な銀河的入射スペクトルE^-2.24を仮定している。
• 拡散係数は、下限の剛性閾値（約0.56 GV）を超える領域では~P^0.5、それ未満では~β^-1.0としてモデル化されている。
• モデルパラメータは、PAMELAおよびBESS実験の高エネルギーHおよびHeデータを用いてキャリブレーションされ、エネルギー範囲にわたる一貫性を確保している。
• モデル予測は、5–500 MeV/nucの範囲でボイジャー1のスペクトルと直接比較され、特に30–60 MeV/nucにおける強度ピークに注目している。
• モデルとデータのずれは、特に30 MeV/nuc未満で分析され、伝搬または源関連の効果の可能性を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボイジャー1号が122 AUを超える領域で測定したH、He、C/O核の銀河宇宙線スペクトルは、銀河的伝搬の拡散モデルの予測と一致するか？
• RQ2 観測された剛性スペクトルは、モデルが予測するように、低エネルギーから高エネルギーまで一貫した普遍的なP^-2.24のべき乗則に従うか？
• RQ3 特に30 MeV/nuc未満で、モデルとボイジャー1のデータとの間に測定可能なずれが存在するか。そのようなずれは、モデルの限界または源・伝搬物理学に関する新たな知見を示唆するか？
• RQ4 PAMELAおよびBESSの高エネルギーデータに適合するモデルパラメータが、低エネルギーのボイジャー1スペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 30 MeV/nuc未満で観測されたずれは、伝搬効果に起因するものか、それとも追加の物理的過程を示唆するものか？

主な発見

• H、He、C/O核のボイジャー1スペクトルは、30–60 MeV/nucの間で強度ピークを示し、低エネルギーおよび高エネルギー側へ向かって減少しており、銀河的宇宙線起源に一致する。
• 観測スペクトルは、普遍的な銀河的入射スペクトルP^-2.24を用いた拡散モデルにより良好に記述されており、3つの核種すべてにわたる一貫した注入スペクトルが示唆される。
• PAMELAおよびBESSの高エネルギーHおよびHeデータに適合する同じモデルパラメータが、ボイジャー1スペクトルを500 MeV/nucまで正確に再現している。
• モデルは、約2 MeVから少なくとも100 GeV/nucまでの全エネルギー範囲で滑らかなP^-2.24スペクトルを予測しており、スペクトルに顕著な不連続性は認められない。
• 30 MeV/nuc未満でモデルとデータのずれが観測され、特にC/O核で顕著で、伝搬効果または源組成の影響を示唆している可能性がある。
• 複数のエネルギー領域におけるデータとモデルの整合性は、銀河内宇宙線伝搬に向けた拡散モデルの妥当性を支持する。