[論文レビュー] New constraints on Galactic cosmic-ray propagation

A. W. Strong, I. V. Moskalenko|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、拡산、輸送、再加速を組み込んだ包括的な銀河的宇宙線伝播モデルを提示し、B/C比のエネルギー依存性を説明する。10Be/9Be測定値を用いて、銀河ハローの高さを >4 kpc に制限し、宇宙線源分布が超新星残骸分布よりも広がっていることを示した。また、観測と比較するための反プロトンおよび陽電子スペクトル、および拡散ガンマ線放射の予測も行った。

ABSTRACT

An extensive program for the calculation of galactic cosmic-ray propagation has been developed. Primary and secondary nucleons, primary and secondary electrons, secondary positrons and antiprotons are included. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields. Models with diffusion and convection only do not account naturally for the observed energy dependence of B/C, while models with reacceleration reproduce this easily. The height of the halo propagation region is determined, using recent 10Be/9Be measurements, as greater than 4 kpc. The radial distribution of cosmic-ray sources required is broader than current estimates of the SNR distribution for all halo sizes. Our results include an estimate of cosmic-ray antiproton and positron spectra, and the Galactic diffuse gamma-ray emission (see accompanying paper: Moskalenko 1998b).

研究の動機と目的

• 一次および二次核種、電子、陽電子、反プロトンのモデル化を通じて、銀河的宇宙線伝播の理解を深めること。
• 再加速を含まないモデルでは観測されたB/C比のエネルギー依存性を再現できないという矛盾を解消すること。
• 最近の10Be/9Be測定値を用いて、銀河ハローのサイズを制約すること。
• 既知の超新星残骸（SNR）分布に対して、宇宙線源の径方向分布を特定すること。
• 観測と比較可能な宇宙線反プロトンおよび陽電子スペクトル、および拡散ガンマ線放射の予測を提供すること。

提案手法

• 有限な銀河ハロー内での拡散、輸送、再加速を含む、完全な数値的宇宙線伝播モデルを開発した。
• エネルギー損失および核反応断片化は、現実的な銀河間ガスおよび放射場分布を用いて計算した。
• 再加速を含むか含まないかのモデルをテストするための主要な診断としてB/C比を用いた。
• 10Be/9Be同位体比を用いて、銀河ハローのスケール高さを制約し、測定値が >4 kpc を示している。
• モデルは二次的陽電子および反プロトン生成を計算し、それらに起因する拡散ガンマ線放射を観測と比較するため導出した。
• 宇宙線スペクトルおよび同位体比などの観測データに一致するように、モデルパラメータを調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再加速を含むモデルは、再加速を含まないモデルと比較して、エネルギー依存性を示すB/C比をどの程度よく再現するか？
• RQ2 10Be/9Be測定値に基づいて、宇宙線伝播に許容される最小のハロー高さは何か？
• RQ3 銀河全体にわたる宇宙線源の径方向分布は、超新星残骸の分布と比べてどのように異なるか？
• RQ4 この伝播モデルの文脈で、宇宙線反プロトンおよび陽電子スペクトルは予測されるか？
• RQ5 このモデルは、観測された拡散銀河ガンマ線放射をどの程度よく再現するか？

主な発見

• 再加速を含むモデルは、観測されたB/C比のエネルギー依存性をうまく再現するが、拡散と輸送のみのモデルではその再現に失敗する。
• 10Be/9Be測定値に基づき、銀河ハロー高さは4 kpcより大きいと制限された。
• すべての検討されたハロー寸法に対して、モデルが要請する宇宙線源の径方向分布は、観測された超新星残骸分布よりも広がっている。
• モデルは、観測データと整合する宇宙線反プロトンおよび陽電子スペクトルを予測した。
• モデルが予測する拡散ガンマ線放射は観測と一致し、伝播フレームワークの妥当性を支持する。
• 本研究は、宇宙線伝播、同位体比、高エネルギー放射を結びつける自己整合的なフレームワークを提供した。