[论文解读] Diffuse Galactic gamma rays, cosmic-ray nucleons and antiprotons

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文通过在银河系中建模宇宙射线核子和反质子的传播，研究了1 GeV以上过量弥散银河系伽马射线辐射的起源。通过采用包含扩散再加速、能量损失以及真实星际气体和辐射场的自洽传播模型，作者表明高能反质子测量可诊断星际核子谱，且当前数据已以几倍标准差的水平排除了硬核子谱假设。

ABSTRACT

The excess of continuum gamma-ray emission from the Galaxy above 1 GeV is an unsolved puzzle. It may indicate that the interstellar nucleon or electron spectra are harder than local direct measurements, as could be the case if a local source of cosmic rays were to dominate the nearby flux. It is however difficult to distinguish between the two cases. Cosmic-ray secondary antiprotons provide a way to resolve this issue. We have made a calculation of the cosmic-ray secondary antiproton spectrum in our model, which computes self-consistently propagation of primary and secondary nucleons, and electrons. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields, and diffusive reacceleration is also incorporated. Our study shows that accurate measurements of the antiproton flux, especially at high energies, could provide a diagnostic of the interstellar nucleon spectrum allowing us to test the hard nucleon spectrum hypothesis. Present antiproton data above 3 GeV indicate that it can already be excluded at the few sigma level.

研究动机与目标

• 解决1 GeV以上过量弥散银河系伽马射线辐射的谜题。
• 检验观测到的伽马射线过量是否源于由于局部宇宙射线源导致的比本地测量值更硬的星际核子谱。
• 利用二级反质子通量作为诊断工具，研究星际核子谱。
• 开发一个包含核子、电子和反质子的自洽宇宙射线传播模型，且考虑真实的星际条件。

提出的方法

• 开发了一个包含初级和次级核子及电子的自洽宇宙射线传播模型。
• 利用真实的星际气体和辐射场分布计算碎片化和能量损失。
• 引入扩散再加速以模拟湍流银河系磁场中的粒子相互作用。
• 基于初级核子的传播及其相互作用，计算二级反质子谱。
• 将理论预测的反质子通量与观测数据进行比较，以检验硬核子谱假设。
• 模型采用对星际介质和宇宙射线源的空间分辨处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 1 GeV以上过量弥散银河系伽马射线辐射能否由比本地测量值更硬的星际核子谱来解释？
• RQ2 高能反质子测量在多大程度上能约束星际核子谱的形状？
• RQ3 观测到的反质子通量是否与标准宇宙射线传播模型一致，还是需要对初级核子谱进行硬化？
• RQ4 反质子通量能否作为诊断工具，以区分硬核子谱和硬电子谱作为伽马射线过量的起源？

主要发现

• 当前3 GeV以上的反质子数据已以几倍标准差的水平排除了硬核子谱假设。
• 二级反质子谱对星际核子谱的形状极为敏感，使其成为一种强有力的诊断工具。
• 该模型表明，精确的高能反质子测量可解决硬核子谱与硬电子谱作为伽马射线过量起源之间的模糊性。
• 引入扩散再加速和真实的星际气体分布可提高理论反质子通量与观测结果的一致性。
• 该研究表明，观测到的反质子通量与由局部宇宙射线源产生显著更硬核子谱的场景不一致。
• 结果支持伽马射线过量并非源于核子谱的局部硬化，依据现有反质子数据。