[论文解读] Cosmic ray spectral hardening due to dispersion of source injection spectra

Qiang Yuan, Bing Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出，在约200 GV刚度处，宇宙射线能谱硬化现象源于一类源（如超新星遗迹）的注入谱叠加，这些源的谱指数存在分散。这种分散自然导致观测到的能谱硬化，与PAMELA、CREAM和ATIC数据相符，并为超高能宇宙射线的脚部-GZK结构提供了另一种解释。

ABSTRACT

The cosmic ray (CR) energy spectra measured with ATIC, CREAM and PAMELA showed that there is remarkable hardening for rigidity of several hundred GV. We propose that this hardening is due to the superposition of spectra from a population of sources, e.g., supernova remnants (SNRs), whose injection spectral indices have a dispersion. Adopting proper model parameters the observational data can be well explained. It is interesting that the injection source parameters are similar with that derived from gamma-ray observations of SNRs, which may support the SNR-origin of CRs. Furthermore this mechanism provides an alternative explanation of the "ankle-cutoff" structure of the ultra high energy CR spectra.

研究动机与目标

• 解释在约200 GV刚度处观测到的宇宙射线谱硬化现象，该现象偏离简单幂律行为。
• 应对多任务数据（ATIC、CREAM、PAMELA）显示的质子和氦的非通用谱指数所带来的挑战。
• 研究源群体分散是否足以解释谱硬化，而无需引入复杂的加速或传播模型。
• 探讨对次级粒子谱（包括弥漫伽马射线、反质子和正电子）的影响。
• 评估该机制是否能解释超高能宇宙射线中的脚部和GZK截止特征。

提出的方法

• 将每个源的注入谱建模为具有刚度依赖谱指数的断点幂律。
• 假设谱指数围绕一个均值呈高斯分布，以反映源属性的内在分散。
• 通过叠加大量此类源的谱来模拟总观测宇宙射线谱。
• 使用GALPROP代码模拟宇宙射线传播，包含扩散性再加速，并通过力场近似处理太阳调制。
• 应用高能截止（指数或断点幂律）以模拟膝部和GZK特征。
• 计算次级粒子通量（如强子性弥漫伽马射线），并与观测结果比较以检验模型一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过分散源群体的谱叠加来解释在约200 GV处观测到的宇宙射线谱硬化？
• RQ2 源谱指数分散如何影响观测宇宙射线能谱的形状？
• RQ3 由此模型推导出的源参数在多大程度上与从超新星遗迹伽马射线观测中推断的参数一致？
• RQ4 该机制是否能为超高能宇宙射线中的脚部和GZK截止特征提供可行的替代解释？
• RQ5 该硬化机制在弥漫伽马射线、反质子和正电子等次级粒子谱上留下何种痕迹？

主要发现

• 具有分散谱指数的注入谱叠加能成功再现质子和氦在约200 GV刚度处的观测谱硬化。
• 该模型得到的B/C比与观测一致，且对源谱分散不敏感。
• 预测的强子性弥漫伽马射线通量在约50 GeV以上表现出硬化，其影响在TeV能量段最为显著。
• 在假设源群体具有10^17–10^18 eV处断点的前提下，该模型预测的UHECR谱与HiRes数据中纯质子成分的观测结果一致。
• 推导出的源参数（谱指数分散和断点刚度）与从超新星遗迹伽马射线观测中推断的参数一致。
• 该机制表明，UHECR可能起源于本地或银河系源，因为观测到的脚部-GZK结构可能源于源分散，而不仅仅是GZK吸收所致。