[论文解读] Gamma Ray Astronomy and the Origin of Galactic Cosmic Rays

S. Gabici|ArXiv.org|Nov 5, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文综述了伽马射线天文学在探究银河系宇宙射线起源中的作用，强调尽管在TeV能量段对超新星遗迹（SNRs）的探测结果与强子模型一致，但由于强子与轻子发射机制之间存在退化问题，尚无明确证据。未来在GeV、TeV及多TeV能量段的多能段伽马射线观测将至关重要，可检验宇宙射线传播模型，并通过在SNR伽马射线谱中搜索能谱截断来识别PeVatrons。

ABSTRACT

Diffusive shock acceleration operating at expanding supernova remnant shells is by far the most popular model for the origin of galactic cosmic rays. Despite the general consensus received by this model, an unambiguous and conclusive proof of the supernova remnant hypothesis is still missing. In this context, the recent developments in gamma ray astronomy provide us with precious insights into the problem of the origin of galactic cosmic rays, since production of gamma rays is expected both during the acceleration of cosmic rays at supernova remnant shocks and during their subsequent propagation in the interstellar medium. In particular, the recent detection of a number of supernova remnants at TeV energies nicely fits with the model, but it still does not constitute a conclusive proof of it, mainly due to the difficulty of disentangling the hadronic and leptonic contributions to the observed gamma ray emission. In this paper, the most relevant cosmic-ray-related results of gamma ray astronomy are briefly summarized, and the foreseeable contribution of future gamma ray observations to the final solution of the problem of cosmic ray origin is discussed.

研究动机与目标

• 评估当前利用伽马射线观测将超新星遗迹（SNRs）与银河系宇宙射线（CR）起源联系起来的证据状况。
• 解决在区分强子（质子-质子）与轻子（电子-正电子）对SNR伽马射线发射贡献方面长期存在的模糊性。
• 评估未来在多个能量波段的伽马射线观测如何解决银河系宇宙射线的起源问题并检验宇宙射线传播模型。
• 探讨弥漫伽马射线发射及分子云关联在约束宇宙射线注入与传播中的作用。
• 研究在多TeV伽马射线谱中检测到能谱截断的可能性，作为PeVatrons——银河系中极端宇宙射线加速器——存在的证据。

提出的方法

• 分析在TeV能量段探测到的SNR伽马射线发射，将观测通量与强子相互作用的理论预测进行比较。
• 基于银河系宇宙射线总功率，采用模型无关的SNR伽马射线光度预测，以约束强子发射。
• 评估X射线同步辐射细丝及SNR RXJ1713.7-3946的快速变异性，作为强磁场（~100 μG）的间接证据，支持强子情景。
• 研究在银河系中心脊和天鹅座等区域，TeV弥漫伽马射线发射与气体密度的相关性，由于致密靶物质的存在，这有利于强子起源。
• 提出包含随机SNR爆发的数值模拟，以建模局部宇宙射线密度过剩及其引起的伽马射线发射涨落。
• 考虑自洽的宇宙射线传播模型，其中宇宙射线在自生磁湍流中散射，可能解释高达PeV能量的宇宙射线观测各向同性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GeV、TeV及多TeV能量段的伽马射线观测能否明确区分SNR伽马射线发射的强子与轻子起源？
• RQ2 致密分子云在增强SNR伽马射线发射中起什么作用？此类关联如何约束宇宙射线注入谱？
• RQ3 SNR在多TeV伽马射线谱中的能谱截断是否可作为PeVatrons——银河系最高能宇宙射线源——存在的证据？
• RQ4 弥漫伽马射线发射的涨落如何与星际介质的团块结构相关联？它们揭示了关于宇宙射线传播的哪些信息？
• RQ5 包含自生湍流的自洽宇宙射线传播模型能否解释高达10^15 eV的宇宙射线观测各向同性？

主要发现

• 在TeV能量段探测到的多个SNRs表现出与强子相互作用理论预测一致的伽马射线通量，支持SNRs作为宇宙射线起源的假设。
• 在天鹅座区域和银河系中心脊等区域，TeV弥漫伽马射线发射与气体密度的相关性有利于强子起源，因为致密分子云为质子-质子相互作用提供了高效靶物质。
• 大多数已探测SNRs的伽马射线谱中未观测到能谱截断，表明它们可能是PeVatrons，但需进入多TeV能量段的观测才能确认。
• X射线同步辐射细丝及RXJ1713.7-3946的快速变异性表明存在约100 μG的强磁场，为强子发射和强粒子加速提供了间接证据。
• FERMI的灵敏度与角分辨率提升后，有望探测GeV能量段的SNRs，并揭示与星际介质团块结构相关的弥漫银河伽马射线发射中的亚结构。
• 未来多TeV观测对于识别SNR伽马射线谱中的能谱截断至关重要，这将为PeVatrons作为宇宙射线源的存在提供直接证据。