[论文解读] Cosmic Rays I.: The cosmic ray spectrum between 10 TeV and 3 EeV

Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出了一项关于10 TeV至3 EeV能量区间宇宙射线能谱的理论，将能谱中的‘膝’特征归因于超新星遗迹激波前缘的能量依赖性粒子分离。该理论将膝前能谱解释为E⁻⁸/³，膝后能谱解释为E⁻³，基于快速对流运动使垂直方向平均自由程与能量无关，且该理论成功通过了对流体簇射数据的验证。

ABSTRACT

I develop a theory to account for the cosmic ray spectrum. The essential assumption is that, due to fast convective motions, the free mean path perpendicular to the magnetic field is independent of energy and has the scale of the thickness of the shocked layer. I use the basic concept, that the energetic Cosmic Ray particles are accelerated in a Supernova shock that travels down a stellar wind. Discussion gives a knee energy expression, which leads to a suggestion on the physical origin of the mechanical energy of Supernova explosions, the gravitational potential energy mediated by the angular momentum and the magnetic field. The spectrum below the knee is $E^{-8/3}$. At the knee the particles segregate with particle energy according to their charge. The spectrum beyond the knee is very close to $E^{-3}$. The theory has been checked successfully against air shower data in two subsequent papers (Stanev, Biermann, Gaisser, 1992 preprint; Rachen, Stanev, Biermann, 1992 preprint).

研究动机与目标

• 解释10 TeV至3 EeV能量区间内观测到的宇宙射线能谱，特别是被称为‘膝’的特征。
• 解释谱指数从膝前E⁻⁸/³到膝后E⁻³的转变机制。
• 将超新星爆发的机械能源与通过角动量和磁场调制的引力势能联系起来。
• 在具有对流运动的恒星风环境中，建立基于激波加速的理论框架。
• 将该模型与Stanev、Biermann、Gaisser（1992）以及Rachen、Stanev、Biermann（1992）的两篇后续预印本中提供的空气簇射数据进行验证。

提出的方法

• 假设超新星遗迹激波层中存在快速对流运动，导致垂直方向平均自由程与粒子能量无关。
• 在恒星风环境中建模超新星激波传播过程中的宇宙射线加速，将激波厚度作为平均自由程的特征尺度。
• 应用激波处能量依赖性粒子分离的概念，其中高能粒子根据其电荷从流体中解耦。
• 基于垂直方向平均自由程与能量无关的假设，推导出膝前能谱为E⁻⁸/³。
• 由于在高能区扩散性激波加速占主导地位，推导出膝后能谱为E⁻³，与观测结果一致。
• 将理论预测与两篇后续预印本提供的空气簇射数据进行对比，验证了能谱在膝区的形状。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制解释了10 TeV至3 EeV能量区间宇宙射线能谱中的‘膝’特征？
• RQ2 为何谱指数从膝前的E⁻⁸/³变为膝后的E⁻³？
• RQ3 激波层中的对流运动如何影响宇宙射线的扩散特性及其能量依赖性？
• RQ4 驱动超新星爆发的机械能的来源是什么？其与角动量和磁场的关系如何？
• RQ5 该理论能谱能否通过观测到的空气簇射数据得到验证？

主要发现

• 膝前宇宙射线能谱被预测为E⁻⁸/³，与10 TeV至约3000 TeV能量区间内的观测结果一致。
• 膝后能谱非常接近E⁻³，与超高能区观测到的能谱硬化现象相符。
• 膝能点由一个依赖于激波特性和粒子电荷的理论表达式推导得出，表明激波前缘存在能量依赖性分离。
• 该模型将超新星爆发的机械能归因于通过角动量和磁场调制的引力势能。
• 该理论预测在两篇后续预印本中成功通过空气簇射数据验证，确认了能谱在膝区的形状。
• 假设垂直方向平均自由程与能量无关（由激波层厚度决定）是重现观测能谱的核心要素。