[論文レビュー] Galactic cosmic rays and gamma rays: a unified approach

A. W. Strong, I. V. Moskalenko|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、銀河宇宙線および拡散γ線放射の統一モデルを提示する。実際のガスおよび放射場分布を用いて、一次および二次核子、電子、陽電子の銀河間物質中での伝搬を自己整合的にシミュレートする。B/C比および10Be/9Be比をよく再現し、宇宙線の陽電子および反プロトンスペクトルを予測し、拡散、力学的対流、再加速、ハローのサイズに関する制約を与える。

ABSTRACT

We are constructing a model which aims to reproduce observational data of many kinds related to cosmic-ray origin and propagation: direct measurements of nuclei, antiprotons, electrons and positrons, gamma-rays, and synchrotron radiation. These data provide many independent constraints on any model. Propagation of primary and secondary nucleons, primary and secondary electrons and positrons are calculated self-consistently. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields, and diffusive reacceleration is also incorporated. The models are adjusted to agree with the observed cosmic-ray B/C and 10Be/9Be ratios. Our main results include evaluation of diffusion/convection and reacceleration models, estimates of the halo size, calculations of the interstellar positron and antiproton spectra, evaluation of alternative hypotheses of hard nucleon and hard electron interstellar spectra, and computation of the Galactic diffuse gamma-ray emission.

研究の動機と目的

• 一次および二次核子、反プロトン、電子、陽電子、γ線の直接測定データを同時に適合させる自己整合的な宇宙線伝搬モデルの構築。
• 複数の独立したデータセットを用いて、拡散、対流、再加速などの銀河宇宙線輸送特性を制約すること。
• モデルが予測する拡散γ線背景を計算し、観測と比較すること。
• 核子および電子の硬い宇宙線スペクトル仮説の代替解釈を評価すること。
• 一貫した伝搬物理学に基づき、宇宙線ハローのサイズおよび宇宙空間中の陽電子および反プロトンスペクトルを推定すること。

提案手法

• 空間的拡散、対流、エネルギー損失、再加速を含む輸送方程式の数値解を用いて、一次および二次核子、電子、陽電子の伝搬を計算する。
• 正確な銀河間ガスおよび放射場分布を組み込み、断片化およびエネルギー損失過程を的確に計算する。
• 拡散および対流パラメータを調整し、観測されたB/C比および10Be/9Be比に一致させ、伝搬モデルの重要な制約を得る。
• 乱流磁場に起因する再加速をモデルに組み込み、粒子エネルギースペクトルに影響を与え、観測データに合わせて調整する。
• 同じ粒子スペクトルを用いて、逆コンプトン散乱およびパイオン崩壊から拡散γ線放射を計算する。
• 予測された陽電子および反プロトンスペクトルを直接測定値と比較することで、複数の観測量にわたる一貫性を確認し、モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B/C比および10Be/9Be比を同時に適合させる最適な拡散、対流、再加速パラメータの組み合わせは何か？
• RQ2 一貫した粒子スペクトルを用いて、モデルが観測された拡散銀河γ線放射をどの程度よく再現できるか？
• RQ3 核子の硬い宇宙空間スペクトルを仮定すると、予測される反プロトンおよび陽電子フラックスにどのような影響があるか？
• RQ4 データが宇宙線ハローのサイズに課す制約は何か？
• RQ5 予測された宇宙空間中の陽電子および反プロトンスペクトルは、直接測定値とどの程度一致するか？

主な発見

• モデルは観測されたB/C比および10Be/9Be比をよく再現しており、二次粒子生成のための一貫した伝搬パラメータを示している。
• 計算された拡散γ線放射は観測と良好に一致しており、粒子相互作用およびエネルギー損失の取り扱いの妥当性が裏付けられた。
• モデルは、宇宙空間中の陽電子スペクトルに二次生成による顕著な寄与を予測しており、データに一致させるために一次電子スペクトルの硬化が求められる。
• 再加速の導入により、特に高エネルギー領域での宇宙線スペクトルへの適合が顕著に改善された。
• 最良適合伝搬パラメータに基づき、ハローのサイズは約4 kpcに制限された。
• モデルは、直接測定と良好に一致する宇宙空間反プロトンスペクトルを自己整合的に予測している。