[论文解读] Are there pulsars in the knee ?

A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了与御夫座环状超新星遗迹（SNR）相关的脉冲星 PSR B0656+14 是否可能是约 3 PeV 处宇宙射线膝状结构的主要来源。通过粒子发射与传播模型分析，发现该脉冲星对膝状结构强度的贡献最多仅为 15%，不足以解释该锐利特征；因此，超新星遗迹仍是主要来源。若宇宙射线在超新星遗迹中被束缚了其寿命的 89%–94%，则该脉冲星可解释广延空气簇射数据中的“亚美尼亚峰”。

ABSTRACT

Recent findings indicate that the Monogem Ring supernova remnant and the associated pulsar PSR B0656+14 may be the 'Single Source' responsible for the formation of the sharp knee in the cosmic ray energy spectrum at $\sim$3PeV. We estimate the contribution of the pulsar B0656+14 to the cosmic rays in the PeV region and conclude that the pulsar cannot contribute more than 15% to the cosmic ray intensity at the knee. Therefore it cannot be the dominant source there and an SNR is still needed. We also examine the possibility of the pulsar giving the peak of the extensive air shower intensity observed from the region inside the Monogem Ring. The estimates of the gamma-ray flux produced by cosmic ray particles from this pulsar indicate that it can be the source of the observed peak, if the particles were confined within the SNR during a considerable fraction of its total age. We also estimate the contribution of Geminga and Vela pulsars to cosmic rays at the knee.

研究动机与目标

• 评估 PSR B0656+14 是否可作为约 3 PeV 处宇宙射线能谱中锐利膝状结构的主导来源。
• 评估孤立脉冲星（包括 Geminga 和 Vela）对膝能区宇宙射线强度的贡献。
• 研究“亚美尼亚峰”——即御夫座环状超新星遗迹内广延空气簇射强度中 6σ 的超额——的起源，考虑脉冲星发射作为可能来源。
• 确定高能宇宙射线在超新星遗迹中长期束缚是否可调和观测到的峰与脉冲星位置及运动之间的不一致。

提出的方法

• 利用粒子发射率 $ \frac{d^2N}{dtdE} $、存活概率 $ S(t,T,E) $ 和粒子密度 $ \rho(t,T,R,E) $ 建模来自 PSR B0656+14 的宇宙射线能谱。
• 应用单源模型估算所需能量密度，并与脉冲星的输出进行比较，归一化至其自旋能损。
• 估算宇宙射线相互作用产生的伽马射线通量，以检验该脉冲星是否可产生观测到的广延空气簇射峰。
• 评估脉冲星自行运动与亚美尼亚峰位置之间的空间与运动一致性，考虑束缚效应。
• 使用扩散模型估算在超新星遗迹中束缚的 PeV 宇宙射线的空间范围，计算其从地球观测的角扩展。
• 将脉冲星加速的质子与氧核的能量谱与 0.4 PV 电刚度处观测到的膝状结构进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR B0656+14 是否能单独解释约 3 PeV 处宇宙射线膝状结构的主导贡献？
• RQ2 考虑到其发射与传播特性，该脉冲星可贡献多少比例的膝能区宇宙射线强度？
• RQ3 在御夫座环状超新星遗迹内观测到的广延空气簇射强度 6σ 超额（“亚美尼亚峰”）是否与 PSR B0656+14 的起源一致？
• RQ4 若宇宙射线在超新星遗迹中长期束缚，是否可解释脉冲星与峰位置之间的错位？
• RQ5 Geminga 和 Vela 脉冲星对形成膝状结构的贡献与 PSR B0656+14 相比如何？

主要发现

• 脉冲星 PSR B0656+14 对膝状结构处宇宙射线强度的贡献最多仅为 15%，不足以成为主导来源。
• 该脉冲星产生的宇宙射线能量密度仅为 $ 1.9 \times 10^{-6} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $，远低于单源模型所需的 $ 2.24 \times 10^{-4} \, \text{eV} \cdot \text{cm}^{-3} $。
• 若宇宙射线在超新星遗迹中被束缚了其总寿命的 89%–94%，则可解释观测到的广延空气簇射强度峰（即“亚美尼亚峰”）。
• 该峰相对于脉冲星偏移了 8.5°，但若 PeV 宇宙射线在半径约 100 pc 的范围内扩散，可形成近似均匀的球体，该错位可被调和。
• Vela 脉冲星因年龄更小且最大电刚度约为 2.8 PV，若其以 10% 的效率加速质子，可能对膝状结构有贡献，但其粒子可能仍被束缚在超新星遗迹内。
• Geminga 因年龄更长，最大电刚度为 0.19 PV，仅当其加速铁核时才可能有贡献，这使得其无法解释 10–20 PeV 处的第二个膝状结构（如模型所提议）。