[論文レビュー] The energy production rate density of cosmic rays in the local universe is $\sim10^{44-45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ at all particle energies

Boaz Katz, Eli Waxman+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、観測された全エネルギー範囲（GeV から EeV）における宇宙線が、エネルギーに依存しない一様なエネルギー生成スペクトル（~10⁴⁴–⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹）を持つ、単一の普遍的源集団によって生成されていると提唱する。著者らは、低エネルギー（銀河系および星形成銀河）、中間エネルギー（IceCubeニュートリノ過剰）、超高エネルギー宇宙線（UHECR）データの整合性から、SNRのような別個の源ではなく、普遍的な加速機構が存在すると示唆している。

ABSTRACT

The energy output (per logarithmic interval of particle energies) of Cosmic Rays (CRs) with energies $10{ m GeV}\lesssim\varepsilon_p\lesssim100{ m GeV}$ is $\sim 10^{47} m erg$ per solar mass of star$-$formation, based on the CR production rate in the Milky Way and in starburst galaxies, implying a generation rate of $\varepsilon_p^2Q\sim 10^{45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ in the local universe. It is only $\sim 10$ times larger than the output, $\varepsilon_p^2 Q=0.5\pm0.2 imes 10^{44} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$, of Ultra High Energy CRs (UHECRs) at energies $10^{10.5}{ m GeV}

研究の動機と目的

• 観測された全エネルギー範囲における、宇宙線（CR）のエネルギー生成率密度を、局所宇宙で特定すること。
• 低エネルギー、中間エネルギー、超高エネルギーでの観測されたCRフラックスを、一様な普遍的CR生成メカニズムで統合的に説明すること。
• エネルギーが10乗のオーダーにわたって、ε²Q ≈ 定数であるような平坦な生成スペクトルと整合しているかどうかを検証すること。
• 超新星残骸が主なCR源であるという従来の見解に挑戦し、それらのエネルギー出力が全エネルギー範囲での観測されたCRフラックスを説明するには不十分であることを示すこと。
• 普遍的CR生成スペクトルが、一時的天体物理学的源および銀河内CR伝搬に与える影響を検討すること。

提案手法

• 銀河系および星形成銀河のデータから星形成率（SFR）スケーリングを用いて、低エネルギーCR生成率（εₚ ~ 10¹⁰–10¹¹ eV）を推定し、εₚ²Q ~ 10⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ を得る。
• IceCubeニュートリノ過剰から、中間エネルギーCR生成率（εₚ ~ 10¹⁷ eV）を導出する。ここでは、これらのニュートリノがUHECRのパイオニ崩壊に起因すると仮定し、εₚ²Q ≥ 0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ を得る。
• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の生成率（εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV）を、観測フラックスに基づいて推定する。ここでは、陽子成分を仮定し、CMB相互作用およびエネルギー損失を考慮する。
• 3つの推定値を比較し、エネルギーにわたって平坦な生成スペクトル、εₚ²Q ≈ 定数であるかを検証する。
• 銀河内CR閉じ込めの観点から、このようなスペクトルが、観測フラックスと予測エネルギー密度の整合をとるために一時的源が必要であることを評価する。
• Waxman-Bahcall限界および伝搬モデルを用いて、源の性質（イベントレート、1イベントあたりのエネルギー出力など）を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測データが示唆するように、局所宇宙における宇宙線のエネルギー生成率密度は、全粒子エネルギーにわたってほぼ一定であるか？
• RQ2 低エネルギー、中間エネルギー、超高エネルギー宇宙線の観測フラックスは、平坦なエネルギー生成スペクトルを持つ一様な源集団によって説明可能か？
• RQ3 平坦な生成スペクトルが、宇宙線源の性質および寿命に与える影響は何か、特にCR閉じまわりおよび伝搬効果を踏まえて。
• RQ4 現在のCR生成率推定値が、以前の研究で示唆されたよりやや緩いスペクトルと異なるのはなぜか？また、過去の研究における主な誤差要因は何か？
• RQ5 観測されたCRおよびニュートリノフラックスは、一時的宇宙線源のエネルギー出力および発生レートにどのような制約を課すか？

主な発見

• 局所宇宙における宇宙線のエネルギー生成率密度は、全粒子エネルギーにわたって ∼10⁴⁴–⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ であり、平坦な生成スペクトル、εₚ²Q ≈ 定数であることを示唆している。
• 低エネルギーCR生成率（εₚ ~ 10¹⁰ eV）は、銀河系および星形成銀河からのSFRスケーリングに基づき、~10⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ と推定された。
• IceCubeニュートリノ過剰から導かれる中間エネルギーCR生成率（εₚ ~ 10¹⁷ eV）は ≥0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ であり、低エネルギー推定値と約10倍のオーダーで整合している。
• 陽子成分を仮定した場合、UHECR生成率（εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV）は ~0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹ であり、ニュートリノ過剰からの下限と一致する。
• これらの3つの推定値の整合性は、エネルギーが10乗のオーダーにわたって平坦なエネルギー生成スペクトルが成り立つことを支持しており、異なる源（例：超新星）が異なるエネルギーで支配的であるという考えに挑戦する。
• 「膝」（~5×10¹⁵ eV）以上のエネルギー領域の観測CRフラックスの抑制は、加速限界によるものではなく、銀河内伝搬効果によるものであり、これは固有の源スペクトルが平坦であることを示唆している。