[论文解读] Are 10 EeV cosmic rays extragalactic? Theory of cosmic ray diffusion at high energy

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出，10 EeV 宇宙射线中观测到的偶极各向异性——此前被解释为河外起源的证据——实际上可能源于中等质量核素（Z=7）在湍流银河系磁场中的河内扩散。通过理论建模与数值模拟，该研究显示磁透镜效应可使偶极各向异性偏离银河系中心，同时预测其具有与偶极各向异性相当强度的四极各向异性，从而挑战了‘偶极方向指向即为河外起源’的假设。

ABSTRACT

Auger Collaboration has reported a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 EeV. The dipole direction, at 125$^\circ$ from the Galactic center, is taken as an indication of an extragalactic origin of these cosmic rays. We show, both theoretically and by direct numerical simulations, that this is not necessarily true. Intermediate mass nuclei originating in the Galaxy and diffusing in the Galactic magnetic field can have a dipole anisotropy pointing away from the Galactic center. Our theory predicts a quadrupole anisotropy of the same order of magnitude as the dipole.

研究动机与目标

• 研究观测到的高于8 EeV 宇宙射线大尺度偶极各向异性（指向远离银河系中心方向）是否可由河内扩散而非河外起源解释。
• 考察磁场相干长度与洛伦兹半径在高能宇宙射线各向异性形成中的作用。
• 检验在银河系磁场中扩散的中等质量宇宙射线（Z=7）是否可通过磁透镜效应产生看似远离银河系中心的偶极各向异性。
• 预测河内扩散产生的四极各向异性幅度，并与观测到的偶极各向异性进行比较。
• 评估对宇宙射线源模型的影响，特别是潜在河内源的光度与 timescale。

提出的方法

• 建立高能宇宙射线扩散的理论框架，适用于洛伦兹半径 ρ ≫ 相干长度 rc 的情形，使用扩散系数 D ∼ cρ²/rc。
• 推导偶极各向异性为 d ∼ ρ²/(rcR)，其中 R 为银河系尺度，偶极偏转角为 χ ∼ rc/ρ。
• 将银河系磁场建模为300个傅里叶谐波的叠加，相位与方向随机分布，得到高斯、各向同性、宇称不变的无散度场，波数 k⁻¹ = 0.1 kpc，磁场强度 B = 10 μG。
• 对每个观测点执行30,000条宇宙射线轨迹的直接数值模拟，按在源区（r < 5 kpc，|z| < 1 kpc）内停留时间加权，在100个观测点（r = 8 kpc，z = 0）进行计算。
• 从模拟的到达方向计算偶极矢量 d = −3⟨v⟩p 与四极张量 Qij = 3⟨vivj⟩p − δij，以量化各向异性。
• 对观测点结果取平均，计算统计矩：⟨d²⟩¹ᐟ² = 0.26，⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12，并发现23%的偶极方向与银河系中心夹角超过90°。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用中等质量核素的河内扩散解释10 EeV 宇宙射线中观测到的、指向远离银河系中心的偶极各向异性？
• RQ2 河内宇宙射线扩散产生的四极各向异性幅度预期为何？与观测到的偶极各向异性相比如何？
• RQ3 在湍流银河系磁场中，磁透镜效应能在多大程度上使局部偶极各向异性偏离银河系中心？
• RQ4 该理论是否预测偶极各向异性幅度在10%或以下，与观测到的6.5%振幅一致？
• RQ5 光度约为3×10⁴¹ erg/s 的8 EeV 宇宙射线（Z=7）河内源，即使经历强烈偏转，是否仍能产生可探测的各向异性？

主要发现

• 理论预测偶极各向异性为 d ∼ ρ²/(rcR)，其中 ρ ∼ 0.1–1 kpc，rc ∼ 0.1–1 kpc，得出 d ∼ 0.01–0.3，与观测到的6.5%振幅一致。
• 数值模拟显示均方根偶极振幅为26%，高于观测到的6.5%，表明仅约20%的观测宇宙射线来自河内即可解释该信号。
• 在23%的观测点中，偶极方向与银河系中心夹角超过90°，证明磁透镜效应可显著偏转各向异性方向。
• 四极各向异性预测幅度约为12%（⟨Q²⟩¹ᐟ² = 0.12），约为偶极振幅的一半，因此在统计改善后可能被探测到。
• 该理论预测偶极与四极各向异性量级相当，满足 Q ∼ ρ/R ≪ d 与 d ∼ ρ²/(rcR)，证实偶极各向异性是湍流场中扩散的自然结果。
• 结果表明，观测到的偶极各向异性并不必然意味着河外起源，因为河内扩散与磁透镜效应可产生相似的方向性模式。