[论文解读] Comment on ``Cosmological Gamma Ray Bursts and the Highest Energy Cosmic Rays''

Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本文批判了宇宙射线爆发（GRBs）是超高能宇宙射线（UHECRs）来源的假说，认为近期观测数据——尤其是大熊野巨型空气簇射阵列（AGASA）的数据——排除了河外GRBs作为UHECR来源的可能性。作者得出结论：GRB模型无法解释最高能量宇宙射线的观测通量和能谱。

ABSTRACT

In a letter with the above title, published some time ago in PRL, Waxman made the interesting suggestion that cosmological gamma ray bursts (GRBs) are the source of the ultra high energy cosmic rays (UHECR). This has also been proposed independently by Milgrom and Usov and by Vietri. However, recent observations of GRBs and their afterglows and in particular recent data from the Akeno Great Air Shwoer Array (AGASA) on UHECR rule out extragalactic GRBs as the source of UHECR.

研究动机与目标

• 评估宇宙射线爆发（GRBs）作为超高能宇宙射线（UHECRs）来源的可行性，如Waxman等人所提出的。
• 评估GRBs和UHECRs的近期观测数据是否与GRB-UHECR关联假说一致。
• 确定河外GRBs是否能合理解释观测到的UHECR通量和能谱。
• 对Waxman（1995年）原始PRL论文中提出的GRB-UHECR关联关系提出批判性评论。
• 重申AGASA数据不支持GRBs作为UHECR主要来源的结论。

提出的方法

• 分析大熊野巨型空气簇射阵列（AGASA）对超高能宇宙射线通量和能谱的观测约束。
• 将河外GRBs产生UHECR通量的理论预测与实际观测的UHECR数据进行比较。
• 评估在假设GRBs为来源的前提下，产生观测到的UHECR通量所需的GRBs光度和发生率。
• 应用能量损失考虑（如GZK截止）来检验GRB模型与UHECR传播的一致性。
• 回顾GRB余晖数据，评估其加速粒子至超高能的能力。
• 基于观测到的GRB发生率和各向同性能量输出，运用统计论证排除GRBs作为主要UHECR来源的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外伽马射线暴能否产生观测到的超高能宇宙射线通量？
• RQ2 UHECR的能量谱是否与宇宙学GRB起源一致？
• RQ3 GRBs的观测发生率和光度是否满足解释UHECR通量的要求？
• RQ4 AGASA和GRB余晖的观测约束是否与GRB-UHECR假说相矛盾？
• RQ5 GRBs能否解释GZK截止及其他在UHECR数据中观测到的传播效应？

主要发现

• 大熊野巨型空气簇射阵列（AGASA）的近期数据显示，UHECR通量与河外伽马射线暴作为来源的预测不一致。
• 为产生观测到的UHECR通量，GRBs所需的等效各向同性能量输出比观测极限高出数个数量级。
• 观测到的GRB发生率过低，无法解释观测到的超高能宇宙射线通量。
• GRB余晖观测不支持能够以所需速率产生UHECRs的粒子加速机制。
• GZK截止和传播效应进一步限制GRB模型，使其与UHECR数据不相容。
• 本文结论：基于当前的观测约束，河外GRBs无法成为超高能宇宙射线的主要来源。