[论文解读] Determining the Spectrum of Cosmic Rays in Interstellar Space from the Diffuse Galactic Gamma-Ray Emissivity

C. D. Dermer, A. W. Strong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 24被引用 12

一句话总结

本文提出一种贝叶斯方法，利用费米-LAT的银河系弥散伽马射线发射率测量数据，结合强子和轻子伽马射线产生模型，推断星际宇宙射线质子和电子的能谱。主要结果为：获得了一个与帕梅拉（PAMELA）数据一致的自洽星际能谱，揭示在约6.5 GeV处存在一个显著性达4σ的谱 break，同时证实了在1 GeV以下能量区域轫致辐射的重要性。

ABSTRACT

More than 90% of the Galactic gas-related gamma-ray emissivity above 1 GeV is attributed to the decay of neutral pions formed in collisions between cosmic rays and interstellar matter, with lepton-induced processes becoming increasingly important below 1 GeV. Given the high-quality measurements of the gamma-ray emissivity of local interstellar gas between ~50 MeV and ~4 GeV obtained with the Large Area Telescope on board the Fermi space observatory, it is timely to re-investigate this topic in detail, including the hadronic production mechanisms. The emissivity spectrum will allow the interstellar cosmic-ray spectrum to be determined reliably, providing a reference for origin and propagation studies as well as input to solar modulation models. A method for such an analysis and illustrative results are presented.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT的高精度伽马射线发射率测量数据，确定星际宇宙射线质子和电子的能谱。
• 通过伽马射线辐射和气体示踪剂推导能谱，减少对直接宇宙射线测量的依赖。
• 评估强子和轻子伽马射线产生机制对能谱推断的影响。
• 量化来自截面模型、气体示踪剂和仪器响应的不确定性在能谱重建中的影响。

提出的方法

• 采用贝叶斯框架扫描参数空间，计算宇宙射线能谱的后验概率分布。
• 该方法通过能量带特定的响应矩阵，将模型宇宙射线能谱与观测到的伽马射线发射率联系起来。
• 使用[6]和[11]/[10]中的强子产生截面，对p-He、He-p和He-He反应进行缩放。
• 利用费米-LAT在10 GeV以上的电子数据和在3 GeV以下的同步辐射约束，对轻子轫致辐射贡献进行建模。
• 通过假设氦和质子具有相同的能谱形状，利用100 GeV/nuc处帕梅拉（PAMELA）的He/p比值约束星际质子谱。
• 测试了作为简化模型的质子谱在能谱中的突变点，更真实的平滑谱变模型正在进一步研究中。

实验结果

研究问题

• RQ1 与费米-LAT的弥散伽马射线发射率测量一致的星际宇宙射线质子谱是什么？
• RQ2 在1 GeV以下能量区域，宇宙射线电子和正电子的轫致辐射对总伽马射线发射率的贡献有多显著？
• RQ3 强子截面模型的不确定性在多大程度上影响了推断的宇宙射线能谱？
• RQ4 在星际质子谱中是否存在统计显著的谱 break？其位置在哪里？
• RQ5 推导出的星际能谱与帕梅拉和AMS01的直接测量结果匹配程度如何，特别是在10 GeV以下能量区域？

主要发现

• 从伽马射线发射率推断出的星际质子谱在约6.5 GeV处存在一个谱 break，显著性约为4σ。
• 当使用[6]中的截面时，6.5 GeV以下的质子谱动量指数为2.5，6.5 GeV以上的指数为2.8，与B/C比值中观察到的传播效应一致。
• 高能质子指数（2.8）与帕梅拉在100 GeV/nuc处直接测量的2.82结果相容。
• 电子和正电子的轫致辐射在1 GeV以下对伽马射线发射率有显著贡献，因此在能谱建模中必须包含此项。
• 该方法得到了一个自洽的星际能谱，其在高能区与直接测量结果一致，但在10 GeV以下出现偏差，表明存在太阳调制效应。
• 强子截面和气体示踪剂的不确定性在误差预算中占显著比重，凸显了未来工作中改进模型的必要性。