[论文解读] Cosmic ray penetration in diffuse clouds

Giovanni Morlino, S. Gabici+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本文利用包含扩散、对流和电离能量损失的稳态动力学输运模型，研究了宇宙射线（CR）在稀薄分子云中的穿透行为。研究发现，在≈100 MeV处存在能谱转折，低于该能量的宇宙射线能谱在云内显著抑制——尤其对电离相关的能量而言——无论是否存在剪切不稳定性，这表明在稀薄云中宇宙射线电离率远低于传统弹道传播模型所假设的水平。

ABSTRACT

Cosmic rays are a fundamental source of ionization for molecular and diffuse clouds, influencing their chemical, thermal, and dynamical evolution. The amount of cosmic rays inside a cloud also determines the $γ$-ray flux produced by hadronic collisions between cosmic rays and cloud material. We study the spectrum of cosmic rays inside and outside of a diffuse cloud, by solving the stationary transport equation for cosmic rays including diffusion, advection and energy losses due to ionization of neutral hydrogen atoms. We found that the cosmic ray spectrum inside a diffuse cloud differs from the one in the interstellar medium (ISM) for energies smaller than $E_{br}\approx 100$ MeV, irrespective of the model details. Below $E_{br}$, the spectrum is harder (softer) than that in the ISM if the latter is a power law $\propto p^{-s}$ with $s$ larger (smaller) than $\sim0.42$. As a consequence also the ionization rate due to CRs is strongly affected. Assuming an average Galactic spectrum similar to the one inferred from AMS-2 and Voyager 1 data, we discuss the resulting ionization rate in a typical diffuse cloud.

研究动机与目标

• 理解宇宙射线如何穿透稀薄分子云并影响其电离、热力学和动力学演化。
• 解决文献中关于宇宙射线被云层排斥的争议，特别是剪切不稳定性与扩散的作用。
• 量化由于中性氢电离导致的能量损失，对云内宇宙射线能谱的修正程度。
• 评估宇宙射线能谱修正对云内电离率及伽马射线辐射的影响。
• 提供一个自洽的宇宙射线输运模型，考虑在一维磁通管中空间变化的扩散、对流和能量损失。

提出的方法

• 求解沿穿过稀薄云的磁通管中宇宙射线的稳态动力学输运方程。
• 通过空间依赖的扩散系数、以阿尔芬速度驱动的对流，以及中性氢电离导致的能量损失来模拟宇宙射线传播。
• 假设星际介质（ISM）与云之间为一维、突变的界面，磁场和离子密度保持恒定。
• 使用来自旅行者1号和AMS-02数据的参数化银河系宇宙射线谱（最小与最大边界）作为输入边界条件。
• 在100 keV–1 GeV范围内采用幂律近似表示电离能量损失 timescale。
• 将云内宇宙射线谱与ISM谱进行比较，以识别能谱转折点和抑制因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线在稀薄云内的能谱何时开始偏离星际介质中的能谱？
• RQ2 中性氢电离导致的能量损失如何影响云内宇宙射线能谱？
• RQ3 在100 MeV以下，宇宙射线穿透稀薄云的程度在不考虑剪切不稳定性的情况下被抑制到何种程度？
• RQ4 修正后的宇宙射线能谱对稀薄云中分子氢（H2）电离率有何影响？
• RQ5 宇宙射线能谱的修正对稀薄云的伽马射线光度，特别是接近π介子产生阈值时，有何影响？

主要发现

• 无论是否存在剪切不稳定性，稀薄云内宇宙射线能谱中均出现约100 MeV的能谱转折（E_br ≈ 100 MeV）。
• 在E_br以下，若ISM能谱的幂律指数比∝ p^{-0.42}更陡，则云内能谱比ISM更硬（反之，若ISM能谱更平，则云内能谱更软）。
• 在能量低于0.58 MeV时，云内宇宙射线能谱相比ISM被衰减高达三个数量级。
• 在典型稀薄云（N_H ≈ 3×10^21 cm⁻²）中，H2分子的电离率从未修正最大谱的3.59×10⁻¹⁶ s⁻¹降至包含传播效应后的2.61×10⁻¹⁷ s⁻¹。
• 最小谱电离率从3.49×10⁻¹⁷ s⁻¹降至1.05×10⁻¹⁷ s⁻¹，表明低能区电离被强烈抑制。
• 由于中性π介子产生阈值（≈280 MeV）高于转折能量，云的伽马射线光度并未显著降低。