[论文解读] Cosmic Rays VII. Individual element spectra: prediction and data

B. Wiebel‐Sooth, Peter L. Biermann+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 1997

Atmospheric Ozone and Climate被引用 9

一句话总结

本文基于超新星驱动的激波加速和散裂过程，预测并比较了单个宇宙射线元素的能谱。研究发现，氢以及氦/类氢核的能谱分别为幂律谱 E^{-2.75±0.04} 和 E^{-2.67±0.04}，且在高能区（E > 10Z GeV）模型预测与观测数据高度一致，支持超新星遗迹中与源相关的散裂过程。

ABSTRACT

Based on the earlier papers in this series, we discuss here the errors in the prediction of the model, and compare with the error ranges in the spectra for individual elements. The predictions are spectra of $E^{-2.75 \pm 0.04}$ for hydrogen, and $E^{-2.67 -0.02 \pm 0.02}$ for helium and heavier elements below the knee. For particle energies above $10 Z$ GeV the data give $E^{-2.77 \pm 0.02}$ for hydrogen and $E^{-2.64 \pm 0.02}$ for helium and similar values for all heavier elements combined, where $Z$ is the charge of the nucleus considered. At the higher energy range considered here the secondary elements Li, Be, and B as well as the sub-Fe group have spectra consistent with source-related spallation, such as occurs when a supernova driven explosions runs into a shell around the wind of the predecessor star.

研究动机与目标

• 评估理论预测在单个宇宙射线元素能谱方面的准确性。
• 评估宇宙射线传播和注入能谱中模型的不确定性。
• 检验锂、铍、硼以及亚铁元素的观测能谱是否与超新星遗迹中的散裂过程一致。
• 将模型预测的幂律指数与宇宙射线能谱膝区以上的观测数据进行比较。
• 确定次级元素的产生是否与超新星驱动的激波模型一致。

提出的方法

• 采用基于超新星遗迹的宇宙射线加速与传播理论模型。
• 应用由激波加速和散裂过程导出的幂律能谱指数。
• 将预测能谱（氢为 E^{-2.75±0.04}，氦及更重元素为 E^{-2.67±0.04}）与观测数据进行比较。
• 分析高能数据（E > 10Z GeV）以验证模型预测与实测指数的一致性。
• 评估锂、铍、硼以及亚铁族元素能谱与源相关散裂机制的一致性。
• 在模型预测与观测数据中均引入误差范围，以进行统计比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论预测的单个宇宙射线元素能谱与观测数据的符合程度如何？
• RQ2 在 10Z GeV 以上能量区域，氢、氦及更重元素的能谱能量依赖性如何？
• RQ3 锂、铍和硼等次级元素的能谱是否与超新星驱动激波中的散裂过程一致？
• RQ4 模型预测的不确定性与观测误差范围相比如何？
• RQ5 宇宙射线元素观测到的幂律指数是否支持存在超新星起源并伴有星风-壳层相互作用？

主要发现

• 该模型预测在所研究的能量范围内，氢的能谱为幂律谱 E^{-2.75±0.04}。
• 对于氦及更重元素，模型预测在宇宙射线能谱膝点以下的能谱为 E^{-2.67±0.04}。
• 在能量高于 10Z GeV 时，观测数据给出氢的能谱为 E^{-2.77±0.02}，而氦及更重元素的联合能谱为 E^{-2.64±0.02}。
• 模型预测与观测数据在给定误差范围内一致，支持模型的有效性。
• 锂、铍和硼的能谱，以及亚铁族元素的能谱，与超新星遗迹中源相关的散裂过程一致。
• 结果支持超新星驱动的激波与星周壳层相互作用以产生次级核素的场景。