[论文解读] An extragalactic ``flux trapping'' origin of the dominant part of hadronic cosmic rays?

R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出，在每核子10 MeV以上的高能区，银河系内宇宙射线的主要成分起源于河外，其局部丰度由银河系束缚体积内的通量捕获机制解释。该模型在对星际与银河系磁场持保守假设的前提下，成功调和了河外起源与观测到的能量谱之间的矛盾，并自然解释了宇宙射线谱中的“脚踝”特征。

ABSTRACT

An extragalactic origin of the dominant part of all extrasolar hadronic cosmic rays above about 10 MeV/nucleon has long been considered unlikely due to energy considerations. In order to circumvent such arguments, the hypothesis that ``flux trapping'' of extragalactic cosmic rays occurs in the Galactic confinement volume is advanced in this paper. This hypothesis is based on a number of speculative assumptions about the properties of Galactic and intergalactic magnetic fields. The intergalactic cosmic-ray density expected under conservative assumptions about its extragalactic origins is then shown to be of the right order of magnitude to account for the locally observed cosmic radiation. It is demonstrated that an extragalactic scenario of cosmic-ray origin that is consistent with the observed cosmic-ray energy spectrum and preserves the successes of Galactic propagation theory can be constructed. The position of the ``ankle'' in the cosmic-ray energy spectrum follows as a natural consequence from this explanation. The $γ$-ray flux from the Magellanic clouds is shown to provide no suitable testing ground for the decision for or against an extragalactical origin in this scenario. It is argued that recent observational evidence seems to be in favour of a dual origin of cosmic-rays. The hadronic component is mainly extragalactic while the electrons are accelerated in Galactic supernova remnants.

研究动机与目标

• 解决长期以来在能量约束下倾向于银河系源的高能强子宇宙射线起源问题。
• 提出一种机制——即银河系束缚体积内的通量捕获——以调和河外起源与本地宇宙射线观测之间的矛盾。
• 证明该模型与观测到的宇宙射线能量谱一致，特别是~10^16 eV处的“脚踝”特征。
• 评估大、小麦哲伦云作为检验河外宇宙射线起源的候选平台的可行性。
• 评估近期观测证据对宇宙射线双源模型的启示，即强子为河外起源，电子为银河系内加速。

提出的方法

• 基于已知河外源的保守估计，假设河外宇宙射线密度。
• 引入“通量捕获”概念——即河外宇宙射线被磁场束缚在银河系体积内。
• 建立星际磁场与银河系磁场相互作用的模型，以估算捕获效率。
• 利用观测到的宇宙射线能量谱作为约束，验证模型与数据的一致性。
• 应用传播理论模拟被捕获的河外粒子如何再现本地谱。
• 评估在此情景下大、小麦哲伦云的预期伽马射线通量，以检验观测可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外宇宙射线是否可在银河系束缚体积内被捕获，从而解释本地强子宇宙射线通量？
• RQ2 “脚踝”特征是否可自然地从河外通量捕获模型中产生？
• RQ3 大、小麦哲伦云的伽马射线辐射是否可作为区分河外与银河系起源的有效测试手段？
• RQ4 一个包含河外强子宇宙射线与银河系内电子加速的模型，能否再现观测到的宇宙射线谱？
• RQ5 近期观测数据对宇宙射线双源模型有何启示？

主要发现

• 基于保守河外源估计的星际宇宙射线密度，其数量级足以解释本地观测到的宇宙射线通量。
• 宇宙射线能量谱中的“脚踝”特征可自然地由通量捕获机制产生。
• 该模型与观测到的宇宙射线能量谱一致，并保留了银河系传播理论的成功之处。
• 大、小麦哲伦云的伽马射线通量在此情景下并非区分河外与银河系起源的合适测试手段。
• 近期观测证据似乎更支持双源模型，即强子宇宙射线主要起源于河外，而电子则在银河系超新星遗迹中加速。