[논문 리뷰] Hard spectrum of cosmic rays in the Disks of Milky Way and Large Magellanic Cloud

A. Neronov, D. Malyshev|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

Fermi-LAT γ선 데이터를 사용하여 이 연구는 은하수 및 대마젤란운성(Magellanic Cloud) 디스크를 관통해 우주선(CR) 스펙트럼을 측정하였으며, 10 GeV–1 TeV 범위에서 일반적인 CR 스펙트럼 기울기 Γ ≈ 2.45를 발견하였다. 분석은 π 중입자 붕괴 γ선을 역컴프턴 및 브레머스트랄링 방출에서 분리하여, 국지적으로 측정된 CR 스펙트럼이 은하수 평균 스펙트럼보다 더 연한 이유는 국지적 원천의 이산성과 항성 형성의 시간적 변동 때문임을 드러냈다.

ABSTRACT

The slope of the locally measured spectrum of cosmic rays varies from 2.8 for protons with energies below 200 GeV down to 2.5 for heavy nuclei with energies in the TeV-PeV range. It is not clear if the locally measured slope values are representative for those of the overall population of Galactic cosmic rays and if the slope of the cosmic ray spectrum varies across the Galaxy. We use the data of Fermi Space gamma-ray Telescope to derive a measurement of the slope of the cosmic ray spectrum across the Galactic Disk and to compare it with that of the Large Magellanic Cloud cosmic rays. A special choice of the background estimation regions allows us to single out the neutral pion decay component of the gamma-ray flux in the energy range above 10 GeV and to separate it from (a) emission from the local interstellar medium around the Solar system and (b) from the inverse Compton emission produced by cosmic ray electrons. Results. The spectrum of the pion decay gamma-ray emission from the Galactic disk in the energy band 10 GeV - 1 TeV has the slope 2.4. There is no evidence for the variation of the slope with Galactic longitude / distance from the Galactic Centre. The slope of the spectrum of cosmic rays derived from the gamma-ray data, 2.45, is harder than the slope of the locally observed cosmic ray proton spectrum. Pion decay emission from a powerlaw distribution of cosmic rays with the same hard slope also provides a fit to the gamma-ray spectrum of the Large Magellanic Cloud. Identical and hard slopes of the spectra of cosmic rays in the Milky Way and in the Large Magellanic Cloud are consistent with a straightforward theoretical model in which cosmic rays are injected by shock acceleration with the spectrum with the slope 2...2.1 which is subsequently modified by 1/3...1/2 by the energy-dependent escape of cosmic rays through the turbulent Galactic magnetic field.

연구 동기 및 목표

• γ선 데이터를 사용하여 은하수 디스크 및 대마젤란운성(LMC)에서의 우주선(CR) 스펙트럼 기울기를 측정하기.
• 국지적으로 측정된 우주선 스펙트럼(프로톤 <200 GeV일 때 Γ ≈ 2.8)이 은하수 평균 우주선 집단을 대표하는지 테스트하기.
• 항성 형성률의 변동성 또는 원천 분포가 국지적 우주선 측정에서 공간적 또는 시간적 스펙트럼 연화를 유도하는지 조사하기.
• 대마젤란운성(LMC)의 우주선 스펙트럼이 은하수와 일치하는지 확인하여 우주선 주입 및 확산의 일반성 테스트하기.
• 관측된 스펙트럼 기울기가 난류 자기장 내에서 에너지 의존적 탈출과 표준 충격 가속 모델로 설명될 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 2008–2014년 기간 동안의 6.7년치 Fermi-LAT 데이터를 사용하였으며, P7REP 응답 함수 및 Science Tools v9r33p0를 적용하였다.
• 10 GeV–1 TeV 범위에서, π 중입자 붕괴 γ선 성분을 역컴프턴 및 브레머스트랄링 방출에서 분리하는 배경 추정 전략을 적용하였다.
• 빈도 기반 최대우도 분석 및 개구광도법을 사용하여 은하수 디스크와 대마젤란운성 내 영역에서 γ선 스펙트럼을 추출하였다.
• 국지적 간섭성 우주 물질(ISM) 방출과 낮은 전자 기여도를 보이는 영역을 선별하여 π 중입자 붕괴 신호에 대한 감도를 향상시켰다.
• 관측된 γ선 스펙트럼을 등급 법 모델로 피팅하여 기저 우주선 스펙트럼 기울기를 유추하였다.
• 은하수 디스크 및 대마젤란운성에서 유도된 우주선 스펙트럼 기울기를 비교하여 일관성과 일반성 여부를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국지적으로 측정된 우주선 스펙트럼(프로톤 <200 GeV일 때 Γ ≈ 2.8)은 은하수 평균 우주선 집단을 대표하는가?
• RQ2 우주선 스펙트럼 기울기가 은하수 디스크 전역에서, 특히 은하 중심으로부터의 거리 또는 은하 경도에 따라 변하는가?
• RQ3 대마젤란운성(LMC)의 우주선 스펙트럼은 은하수와 일치하는가? 이는 일반적인 주입 메커니즘을 시사하는가?
• RQ4 관측된 경직된 우주선 스펙트럼(Γ ≈ 2.45)은 난류 자기장 내에서 에너지 의존적 탈출과 표준 충격 가속 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 국지적 스펙트럼 연화 및 변동성은 우주선 원천(초신성 및 항성 형성 사건 등)의 이산적 공간 분포와 시간적 변동성에 기인하는가?

주요 결과

• π 중입자 붕괴 γ선 방출을 통해 유도된 은하수 디스크의 우주선 스펙트럼은 10 GeV–1 TeV 에너지 범위에서 경직된 기울기 Γ ≈ 2.45를 보였다.
• 은하수 디스크 전역에서 우주선 스펙트럼 기울기에 유의미한 변동성이 없었으며, 이는 평균 우주선 스펙트럼의 공간적 균일성을 시사한다.
• 대마젤란운성(LMC)의 우주선 스펙트럼 역시 경직된 기울기 Γ ≈ 2.45를 보이며, 은하수와 일치하였다.
• 은하수 평균 우주선 스펙트럼(Γ ≈ 2.45)은 국지적으로 측정된 프로톤 스펙트럼(200 GeV 이하일 때 Γ ≈ 2.8)보다 더 경직되었으며, 이는 국지적 스펙트럼 연화를 시사한다.
• 관측된 일반적인 기울기는 우주선이 경직된 스펙트럼(Γ_inj ≈ 2.0–2.1)으로 주입되고 난류 자기장 내에서 에너지 의존적 탈출(ΔΓ ≈ 1/3–1/2)에 의해 연화되는 이론 모델과 일치한다.
• 국지적 스펙트럼 연화의 원인은 주입 과정의 내재적 변동이 아니라, 초신성 및 항성 형성 사건과 같은 우주선 원천의 이산적 공간 및 시간적 분포 때문임이 밝혀졌다.