[논문 리뷰] The Highest Recorded Proton Spectrum at Earth since the Beginning of the Space Age

R. Du, Du Toit Strauss외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우주 시대 이래로 지구에서 관측된 가장 높은 은하계 양성자 스펙트럼을 2009년 12월 펄라(PAMELA)가 태양의 매우 약한 활동 최소기 동안 관측한 것으로 규명한다. 3차원 헬리오스피어틱 운반 모델을 사용하여, 기울기 및 곡률 비틀림 운반 효과를 포함한 분석을 통해, A < 0 극성 주기 동안 예상보다 높은 스펙트럼이 발생한 이유를 설명한다. 이는 낮은 헬리오스피어틱 자기장 조건에서 강화된 비틀림 효과 때문이며, 향후 A > 0 주기 동안 유사한 조절 조건이 반복될 경우 더욱 높은 스펙트럼이 발생할 것으로 예측한다.

ABSTRACT

The recent solar minimum activity period and the consequent minimum modulation conditions for cosmic rays were unusual compared to previous solar minimum periods. The highest spectra of galactic protons (and other cosmic rays) were recorded by the PAMELA instrument at Earth in late 2009, in contrast to expectations. The spectrum, between 100 MeV and 50 GeV, for December 2009 is compared to proton spectra observed during previous solar minimum periods, back to 1965. Corresponding numerical modeling is presented which predicts that the next solar minimum spectra could even be higher if similar modulation conditions then would occur as in 2008-2009. The reason is that incorporating gradient and curvature drifts in modulation models causes proton spectra for A &gt; 0 solar magnetic cycles (e.g., around 1976, 1997) to always be higher than during A &lt; 0 cycles (e.g. around 1965, 1987, 2009) at energies below a few GeV, if the same modulation conditions would prevail.

연구 동기 및 목표

• 2009년 12월 PAMELA가 지구에서 관측한 예상치 못한 높은 은하계 양성자 스펙트럼을 설명하기 위해, 이는 이전의 태양 활동 최소기 행동에 기반한 예측을 초월한다.
• A < 0 극성 주기(일般적으로 낮은 양성자 강도를 동반함)임에도 불구하고 2009년 태양 활동 최소기 동안 기록된 가장 높은 조절된 양성자 스펙트럼이 발생한 이유를 규명한다.
• 특히 기울기 및 곡률 비틀림 운반 효과를 포함한 헬리오스피어틱 운반 메커니즘의 영향을, 극단적인 태양 활동 최소기 조건에서의 宇宙선 조절에 대해 모델링한다.
• 향후 태양 활동 최소기, 특히 A > 0 주기 동안 유사한 조절 조건이 유지될 경우, 더 높은 양성자 스펙트럼이 발생할 수 있는지 예측한다.

제안 방법

• 헬리오스피어틱 운반 방정식의 종합적인 3차원 수치적 해를 사용하여, 헬리오스피어틱 내에서의 양성자 확산 및 비틀림 운반을 모델링하였다.
• 모델은 태양 조절 지표로 관측된 헬리오스피어틱 전류면(heleospheric current sheet, HCS) 기울기 각도 및 지구 근처의 간섭 자기장(Interplanetary Magnetic Field, IMF) 크기를 포함하였다.
• 기울기 및 곡률 비틀림 운반 효과를 3차원 텐서 기반의 조절 모델에 명시적으로 포함하여, 저에너지 양성자 스펙트럼에 미치는 영향을 평가하였다.
• 지역 간행성 스펙트럼(Local Interstellar Spectrum, LIS)을 120 AU에서 설정하여, 2006년 중반부터 2009년 12월까지의 PAMELA 관측 결과와 모델을 검증하였다.
• 유사한 조절 조건이 유지될 경우를 가정하여, 향후 스펙트럼을 예측하기 위해 확률적 미분 방정식(Stochastic Differential Equation, SDE) 모델을 적용하였다.
• 1965년, 1976–77년, 1987년, 1996–97년, 2009년의 다섯 개 태양 활동 최소기 시점 간 비교 분석을 수행하여 A > 0 및 A < 0 극성 주기 간 차이를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 A < 0 극성 주기임에도 불구하고 2009년 태양 활동 최소기 동안 지구에서 관측된 양성자 스펙트럼이 이전의 모든 A < 0 및 A > 0 주기 스펙트럼을 초월했는가?
• RQ2 약한 헬리오스피어틱 자기장 조건에서 극단적인 태양 활동 최소기 동안 기울기 및 곡률 비틀림 운반 효과가 양성자 유속 증가에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 2008–2009년의 관측된 조절 조건은 이전의 태양 활동 최소기와 비교해 헬리오스피어틱 전류면 기울기 및 IMF 크기 측면에서 어떻게 다를까? 이들의 조합 효과는 우주선 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 향후 태양 활동 최소기, 특히 A > 0 주기 동안 유사한 조절 조건이 유지될 경우, 2009년 기록을 초월하는 더 높은 양성자 스펙트럼이 발생할 수 있는가?
• RQ5 확산 계수의 강성 의존성은 2006년에서 2009년 사이에 조절된 스펙트럼의 연약해짐에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• PAMELA가 2009년 12월에 관측한 양성자 스펙트럼은 우주 시대 이래로 지구에서 기록된 가장 높은 스펙트럼이었으며, 이전의 모든 태양 활동 최소기 스펙트럼을 초월했다.
• A < 0 극성 주기임에도 불구하고 2009년 스펙트럼은 이전의 모든 A < 0 및 A > 0 주기 스펙트럼을 뛰어넘었으며, 특히 몇 GeV 이하의 에너지에서 두드러졌다.
• 2009년 동안 헬리오스피어틱 자기장이 매우 낮아져 약 ~3.94 nT로 감소하고, HCS 기울기가 중간 수준(10.0°)을 유지함으로써 기울기 및 곡률 비틀림 운반 효과가 강화되어 지구에서의 양성자 유속이 증가하였다.
• 3차원 조절 모델 분석 결과, 비틀림 효과가 이전의 최소기 동안보다 더 두드러졌으며, 이는 A < 0 주기임에도 불구하고 이 상이한 스펙트럼을 설명하는 데 기여하였다.
• SDE 기반 모델 예측 결과, 향후 A > 0 주기 동안 유사한 조절 조건이 유지될 경우, 그로 인한 양성자 스펙트럼은 2009년 기록을 초월할 수 있다.
• 이 연구는 A > 0 주기 동안 극지역을 통한 입자 유입 경로가 자연스럽게 낮은 에너지의 양성자 강도를 증가시키며, 극단적인 조절 조건이 이러한 효과를 더욱 강화시킬 수 있음을 결론 내렸다.