[논문 리뷰] Large-scale sidereal anisotropy of multi-TeV galactic cosmic rays and the heliosphere

M. Amenomori, Xiao-Jun Bi외 84명|ArXiv.org|2009. 09. 05.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 히타루스 AS $γ$ 실험에서 관측한 다이아테론 테바르크 갤럭틱 고에너지 우주선의 대규모 지구시 기반 비균형을 설명하기 위해 수소 탈출 평면(HDP) 내에서 쌍의 가우시안 강도 초과를 포함하는 모델을 제안한다. 헬리오테일에서 약 50° 떨어진 곳에 중심을 두고, 단일 및 双방향 유동과 HDP 기반 초과를 조합하여 관측된 천구도를 피팅함으로써, 모델은 비대칭 강도 특징을 성공적으로 재현하였으며, 헬리오스피어 내에서 북남 비대칭성이 뚜렷하게 드러나, 남쪽 초과 강도가 북쪽보다 약 0.2% 높음을 드러냈다.

ABSTRACT

We develop a model anisotropy best-fitting to the two-dimensional sky-map of multi-TeV galactic cosmic ray (GCR) intensity observed with the Tibet III air shower (AS) array. By incorporating a pair of intensity excesses in the hydrogen deflection plane (HDP) suggested by Gurnett et al., together with the uni-directional and bi-directional flows for reproducing the observed global feature, this model successfully reproduces the observed sky-map including the "skewed" feature of the excess intensity from the heliotail direction, whose physical origin has long remained unknown. These additional excesses are modeled by a pair of the northern and southern Gaussian distributions, each placed ~50 degree away from the heliotail direction. The amplitude of the southern excess is as large as ~0.2 %, more than twice the amplitude of the northern excess. This implies that the Tibet AS experiment discovered for the first time a clear evidence of the significant modulation of GCR intensity in the heliotail and the asymmetric heliosphere.

연구 동기 및 목표

• 다이아테론 테바르크 갤럭틱 고에너지 우주선의 강도 분포에서 관측된 대규모 지구시 기반 비균형을 설명하기 위해.
• 오랫동안 설명되지 않았던 헬리오테일 방향의 비대칭 강도 초과의 물리적 기원을 조사하기 위해.
• 특히 헬리오스피어의 비대칭성과 같은 헬리오스피어의 구조가 관측된 비균형 특징을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• Gurnett 등에 의해 규명된 수소 탈출 평면(HDP)이 전역 유동 패tern 이외의 우주선 강도 초과를 수용할 수 있는가를 판단하기 위해.
• 이러한 초과의 강도와 각도 분포를 정량화하고, 이들이 헬리오스피어의 비대칭성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 모델은 전역 비균형 특징을 재현하기 위해 단일 및 이중 방향의 고에너지 우주선 유동 성분을 조합한다.
• HDP 내에 쌍의 가우시안 강도 초과를 도입하며, 각각 헬리오테일 방향에서 약 50° 떨어진 곳에 중심을 두고, 강도 $b_1$ 및 $b_2$, 각도 폭 $ heta_{\text{width}}$ 및 $ ho_{\text{width}}$, 각도 오프셋 $ heta$로 매개변수화한다.
• 비균형 모델은 식 (4)로 정의되며, HDP의 방향과 수직 방향의 각도 의존성을 $ heta_{n,m}$ 및 $ ho_{n,m}$ 를 사용하여 기술한다.
• 11개의 자유 매개변수(유동 강도, 방향 각도, 가우시안 폭 포함)를 포함한 최소 제곱 최적화 기법을 사용하여 모델을 관측된 천구도에 피팅한다.
• 잔차 비균형은 모델을 관측 데이터에서 빼서 평가되며, 적합도 평가에 감소된 $ ilde{\rho}^2$ 값 1.791을 사용한다.
• 잔차 유의도도를 비교하여 모델을 검증하였으며, 그 결과 그림 1f에 나타난 잔차 유의도도는 관측 데이터와 일치하여 비대칭 초과를 성공적으로 재현함을 확인했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 헬리오테일 방향의 비대칭 강도 초과는 헬리오스피어 내의 구조적 조절에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 수소 탈출 평면(HDP)은 전역 유동 패턴 이외의 추가 우주선 강도 초과가 존재할 수 있는 타당한 위치인가?
• RQ3 이러한 초과의 각도 분포와 강도는 헬리오스피어 내의 북남 비대칭성을 나타내는가?
• RQ4 HDP 기반의 가우시안 초과를 포함함으로써, 관측된 다이아테론 테바르크 GCR 천구도에 대한 피팅 성능은 더 이상의 모델보다 향상되는가?
• RQ5 HDP 내에서 북쪽과 남쪽 초과 간의 관측된 강도 차이의 물리적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 관측된 다이아테론 테바르크 갤럭틱 고에너지 우주선의 대규모 지구시 기반 비균형을 성공적으로 재현하였으며, 이는 이전까지 설명되지 않았던 헬리오테일 방향의 비대칭 강도 초과를 포함한다.
• 최적 피팅 모델은 헬리오테일 방향에서 약 50° 떨어진 곳에 중심을 둔 HDP 내에 쌍의 가우시안 초과를 포함하며, 최적 피팅 각도 오프셋 $ heta = 50.0^\text{°}$ 를 얻었다.
• 남쪽 초과 강도($b_1$)는 북쪽 초과 강도($b_2$)보다 약 0.2% 더 높게 측정되었으며, 이는 헬리오스피어 내에서의 뚜렷한 북남 비대칭성을 나타낸다.
• 자유도 1269개를 기반으로 한 감소된 $ ilde{\rho}^2$ 값 1.791은 관측 데이터에 대한 통계적으로 수용 가능한 피팅임을 확인한다.
• 잔차 비균형도(그림 1f)에 대한 모델의 성공적인 피팅은 HDP 기반 초과가 관측된 천구도 특징을 설명하는 데 필수적임을 보여준다.
• 결과는 다이아테론 테바르크 우주선 비균형에서의 헬리오스피어 비대칭성에 대한 첫 번째 직접 관측 증거를 제공하며, 이는 HDP와 헬리오테일 영역과 연관된다.