[论文解读] A Fit to the Galactic Cosmic Ray Hydrogen and Helium Spectra at Voyager 1 at Low Energies and Earth Based Measurements at Much Higher Energies with Identical Rigidity Independent Source Spectra for the Hydrogen and Helium Nuclei

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文在广阔能量范围内对银河宇宙射线氢和氦谱进行了统一拟合——从旅行者1号在日球层外测得的低能数据（3–600 MeV/nuc）到地球基高的高能数据（最高达100 GeV/nuc）。采用一种加权漏箱模型，结合刚度无关的源谱（幂律指数−2.28）和刚度相关的扩散路径长度（在1 GV以上为P⁻⁰.⁵，可能在1 GV以下为P¹.⁰），在所有能量区间均取得极佳拟合，表明银河系中氢和氦核具有共同的起源。

ABSTRACT

Voyager 1 data from beyond the heliopause provide the first direct measurements of the interstellar cosmic ray spectra below 1 GeVnuc. In this paper we combine these Voyager measurements of H and He nuclei from 3-600 MeVnuc with higher energy measurements at 1 AU from the BESS and PAMELA experiments up to 100 GeVnuc. Using a Weighted Leaky Box Model for propagation in the galaxy, we obtain an excellent fit to these new Voyager observations and the much higher energy spectra up to 100 GeVnuc by using source spectra which are P-2.28, with the exponent independent of rigidity from low to high rigidities; along with a rigidity dependence of the diffusion path length which is P-0.5 at rigidities 1.00 GV, and possibly changing to P1.0 at lower rigidities.

研究动机与目标

• 将旅行者1号测得的低能银河宇宙射线谱与1 AU处的高能测量结果相协调。
• 确定氢和氦核是否在宽广的刚度范围内共享相同的源谱。
• 检验加权漏箱模型在描述从亚GeV到100 GeV/nuc的宇宙射线传播过程中的自洽性。
• 研究银河宇宙射线传播模型中扩散路径长度的刚度依赖性。
• 评估单一、刚度无关的源谱是否能解释在截然不同的能量区间内氢和氦宇宙射线数据。

提出的方法

• 将旅行者1号在1 GeV/nuc以下对氢和氦核的直接测量数据，与1 AU处BESS和PAMELA任务的高能数据（最高达100 GeV/nuc）相结合。
• 应用加权漏箱模型模拟银河宇宙射线传播，整合能量依赖的扩散和电离能损。
• 假设氢和氦的源谱形式为E⁻².²⁸，且与刚度无关，以检验其普适性。
• 引入两段式扩散路径长度依赖关系：在刚度≥1 GV时为P⁻⁰.⁵，在较低刚度时为P¹.⁰，以拟合数据。
• 采用加权最小二乘法拟合，以最小化全能量范围内的残差，并考虑测量不确定性。
• 利用模型预测整个能量范围内氢和氦谱的形状，验证其与观测的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用单一、刚度无关的源谱，来描述从低能到高能的氢和氦宇宙射线谱？
• RQ2 银河系中扩散路径长度如何随刚度变化？这种依赖关系在不同能量区间是否发生变化？
• RQ3 在3 MeV/nuc至100 GeV/nuc的能量范围内，观测到的氢和氦宇宙射线谱是否与同一注入谱一致？
• RQ4 加权漏箱模型能否准确再现旅行者1号与地球基测量数据的综合结果？
• RQ5 何种刚度依赖关系最能解释全能量范围内谱形的扩散路径长度？

主要发现

• 该模型对旅行者1号的低能数据（3–600 MeV/nuc）和地球基高能测量数据（最高达100 GeV/nuc）中的氢和氦核均实现了极佳拟合。
• 源谱幂律指数为−2.28，与氢和氦数据均一致，且与刚度无关，支持存在普遍的注入谱。
• 在刚度≥1 GV时，扩散路径长度最宜用P⁻⁰.⁵依赖关系描述，表明外银河系中扩散具有较弱的能量依赖性。
• 在刚度低于1 GV时，可能需采用P¹.⁰依赖关系，可改善最低能量区间的拟合，表明低刚度下传播物理机制发生变化。
• 在10个数量级的能量范围内拟合的一致性，强烈支持加权漏箱模型在银河宇宙射线传播中的有效性。
• 结果表明，很可能存在同一物理机制控制着氢和氦核注入银河宇宙射线群体。