[论文解读] Acceleration and Interaction of Ultra High Energy Cosmic Rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 16

一句话总结

本文研究了弗拉诺夫-瑞利II类射电星系中激波加速作为超高能宇宙射线（UHECRs）最可能的来源，表明此类源可自然地产生高达300 EeV的粒子。文章认为，无需引入如拓扑缺陷等奇异模型，标准天体物理机制即可解释观测到的能谱、成分和各向异性，特别是当考虑宇宙射线在星系际介质中传播过程中的能量损失和磁场效应时。

ABSTRACT

In this chapter I give an overview of shock acceleration, including a discussion of the maximum energies possible and the shape of the spectrum near cut-off, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. Possible sources of the highest energy cosmic rays are discussed including active galaxies, gamma ray bursts and topological defects. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

研究动机与目标

• 评估传统天体物理源——尤其是弗拉诺夫-瑞利II类射电星系——在加速宇宙射线至超高能方面的可行性。
• 评估宇宙背景辐射和磁场相互作用在塑造UHECR观测能谱和成分中的作用。
• 确定观测到的GZK截断及10 EeV以上的能谱是否可由标准传播与加速机制解释。
• 检验是否需要引入如拓扑缺陷等奇异模型来解释数据，或传统物理已足够。
• 通过识别关键可观测量（如中微子通量和到达方向分布）指导未来观测工作，以区分竞争模型。

提出的方法

• 使用标准扩散激波加速理论，对河外源（特别是FR II射电星系）中的激波加速进行建模。
• 计算通过Bethe-Heitler对产生和π介子光致产生引起的能量损失，作用于宇宙微波背景和红外背景辐射。
• 模拟由UHECR与背景辐射场相互作用引发的电子-光子级联过程。
• 利用磁场模型（例如超星系团中0.1 μG的磁场）评估UHECR到达方向的偏转与各向异性。
• 将模拟的能谱与到达方向模式与AGASA等实验的观测数据进行比较。
• 评估源分布、磁场结构以及注入谱（例如E⁻².⁴）对最终观测通量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 弗拉诺夫-瑞利II类射电星系中的激波加速能否产生能量高达300 EeV的宇宙射线？
• RQ2 与宇宙背景辐射和磁场的相互作用在多大程度上改变了UHECR的能谱、成分和到达方向？
• RQ3 观测到的GZK截断及10 EeV以上的能谱是否与标准传播模型一致，还是需要奇异源？
• RQ4 由UHECR引发的电子-光子级联过程如何影响观测到的高能伽马射线和中微子通量？
• RQ5 观测到的各向异性和与已知源无相关性，能否由磁场偏转和源分布来解释？

主要发现

• 弗拉诺夫-瑞利II类射电星系中的激波加速可产生能量至少达300 EeV的宇宙射线，与观测到的最高能量事件一致。
• 10 EeV以上的观测能谱，包括平坦分量和GZK截断，可通过标准传播与加速物理机制良好解释，无需引入奇异模型。
• 通过π介子光致产生和对产生引起的能量损失将最大能量限制在约10¹¹ GeV（当源距离超过约20 Mpc时），与GZK截断一致。
• 能量高于100 EeV的宇宙射线在磁场中显著偏转，到达方向在100 EeV以下扩散约80°，在200 EeV以上缩小至约10°，解释了其与已知源无相关性。
• 由UHECR引发的电子-光子级联过程产生可探测的高能伽马射线和中微子通量，可能主导高能谱。
• 当结合软注入谱（E⁻².⁴）时，局部超星系团环境（约0.1 μG磁场，源距离10 Mpc）可重现10 EeV以上的观测能谱。