[论文解读] A 3D time-dependent model for Galactic cosmic rays and gamma rays

A. W. Strong, I. V. Moskalenko|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种用于银河系宇宙射线和伽马射线的三维时变模型，明确引入了随机的超新星遗迹（SNR）源，以研究电子和逆康普顿伽马射线发射。尽管高能电子分布存在显著的空间涨落，但该模型表明这些非均匀性不足以解释EGRET观测到的GeV伽马射线过量，尽管它们会在高能伽马射线中产生可被GLAST探测到的团块状结构，且预测的TeV发射与Whipple观测的上限保持一致。

ABSTRACT

In studies of cosmic-ray (CR) propagation and diffuse continuum gamma-ray emission from the Galaxy it has usually been assumed that the source function can be taken as smooth and time-independent. However, especially for electrons at high energies where energy losses are rapid, the effect of the stochastic nature of the sources becomes apparent and indeed has been invoked to explain the GeV excess in the diffuse emission observed by EGRET. In order to address this problem in detail a model with explicit time-dependence and a stochastic SNR population has been developed, which follows the propagation in three dimensions. The results indicate that although the inhomogeneities are large they are insufficient to easily explain the GeV excess. However the fluctuations should show up in the gamma-ray distribution at high energies and this should be observable with GLAST. Estimates of the TeV continuum emission from the plane are consistent with the Whipple upper limit.

研究动机与目标

• 研究随机、时变的宇宙射线源是否能解释EGRET观测到的银河系弥漫伽马射线中未解释的GeV过量。
• 在三维空间中建模离散超新星遗迹（SNR）分布不均匀性对电子传播和逆康普顿伽马射线发射的影响。
• 评估硬电子注入谱（指数1.8）在考虑空间涨落时，是否能调和本地电子谱与弥漫伽马射线数据之间的关系。
• 评估预测的TeV弥漫伽马射线发射水平，并与Whipple天文台的上限进行比较。

提出的方法

• 开发了一种三维时变宇宙射线传播模型，将随机SNR事件作为源，其平均事件率为 $ t_{\text{SNR}} $，宇宙射线产生持续时间为 $ t_{\text{CR}} $。
• 采用硬电子注入谱（谱指数1.8）以检验空间涨落是否能调和本地电子谱与EGRET的GeV过量之间的关系。
• 在三维空间中模拟电子能量损失与传播过程，考虑离散SNR事件及其随时间变化的贡献所导致的空间非均匀性。
• 根据模拟的电子分布计算逆康普顿伽马射线发射，不同银道面经度和能量下的能量依赖发射谱被分别计算。
• 模型预测了从MeV到TeV能量范围的弥漫伽马射线能谱，并与EGRET、COMPTEL、OSSE和Whipple数据进行比较。
• 通过模拟 $ t_{\text{SNR}} = 10^4 $ 和 $ 10^5 $ 年的情况，测试了SNR事件率变化的影响，分别对应每世纪3次和0.3次SNR事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机、时变的SNR源是否能解释EGRET测量到的银河系弥漫伽马射线谱中观测到的GeV过量？
• RQ2 离散SNR事件引起的电子分布空间非均匀性在多大程度上影响高能处的预测逆康普顿伽马射线发射？
• RQ3 在考虑空间涨落的情况下，硬电子注入谱（指数1.8）是否与本地电子谱和弥漫伽马射线数据一致？
• RQ4 银河系平面的TeV弥漫伽马射线发射预测水平如何？与Whipple天文台的上限相比如何？
• RQ5 SNR事件率的变化如何影响高能处观测到的伽马射线形态和能谱涨落？

主要发现

• 该模型表明，尽管由于随机SNR源的存在，高能电子分布变得高度非均匀，特别是在TeV能量段，但由此产生的伽马射线发射涨落仍不足以解释EGRET的GeV过量。
• 在GeV能量段，由于宇宙射线驻留时间较长，电子分布仍相对平滑，且太阳附近的光谱涨落与本地观测到的陡峭电子谱不匹配。
• 对于标准SNR事件率（每世纪3次），高能处的逆康普顿伽马射线发射变得越来越团块状，预计在10 GeV以上能量处可被GLAST空间望远镜探测到可观测特征。
• 即使采用硬电子注入谱（指数1.8）且最大电子能量为100 TeV，预测的TeV伽马射线发射仍低于Whipple在 $ l = 40^\circ $ 处的上限，表明与当前观测一致。
• 为在1 TeV处获得类似本地的谱形，需要更低的SNR事件率（每世纪0.3次），但这意味着每个SNR的CR发光度极高（$ 2 \times 10^{51} $ erg），暗示该情景极不可能成立。
• 在注入谱指数中引入分散性并不能显著改善与本地数据的一致性，因为仍有许多SNR在1 TeV处对本地电子通量有贡献。