[论文解读] Evidence for a Local "Fog" of Sub-Ankle UHECR

Ruo-Yu Liu, Andrew M. Taylor+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文提出，为避免过度产生级联辐射，同时解释费米-LAT观测到的弥散伽马射线背景（该背景主要来自点源），在截断能点以下（1–4×10¹⁸ eV）必须存在一个局部的‘雾’状超高能宇宙射线（UHECRs）分布。研究发现，为避免过度产生级联伽马射线，必须存在附近源，包括可能的银河系内源；并基于部分820 GeV的河外背景辐射源自UHECRs的假设，推导出源的最大传播距离限制。

ABSTRACT

During their propagation through intergalactic space, ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) interact with the background radiation fields. These interactions give rise to energetic electron/positron pairs and photons which in turn feed electromagnetic cascades, resulting in a diffuse gamma-ray background radiation. The gamma-ray flux level generated in this way highly depends upon the UHECR propagation distance, as well as the evolution of their sources with redshift. Recently, the \fermi collaboration has reported that the majority of the total extragalactic gamma-ray flux originates from extragalactic point sources. This posits a stringent upper limit on the diffuse gamma-ray flux generated via UHECR propagation, and subsequently constrains their abundance in the distant Universe. Focusing on the contribution of UHECR at energies below the ankle within a narrow energy band ($(1-4) imes 10^{18}$eV), we calculate the diffuse gamma-ray flux generated through UHECR propagation, normalizing the total cosmic ray energy budget in this band to the measured flux. We find that in order to not overproduce the cascade gamma-ray flux, a local fog of UHECR produced by nearby sources must exist, with a possible non-negligible contribution from our Galaxy. Following the assumption that a given fraction of the observed IGRB at 820GeV originates from UHECR, we obtain a constraint on the maximum distance for the majority of their sources. With UHECR above the ankle invariably also contributing to the diffuse gamma-ray backgound, the results presented here are conservative.

研究动机与目标

• 研究在截断能点以下（1–4×10¹⁸ eV）的UHECR传播所产生的弥散伽马射线通量。
• 利用费米- LAT观测结果（即大多数河外伽马射线背景通量源自已解析的点源），约束UHECR对河外伽马射线背景（EGRB）的贡献。
• 确定为避免过度产生级联伽马射线，所需局部UHECR密度与源分布。
• 基于伽马射线通量约束，推导出UHECR源传播距离的上限。

提出的方法

• 计算通过UHECR在星际空间传播引发的电磁级联反应所产生的弥散伽马射线通量。
• 将(1–4)×10¹⁸ eV能段内的UHECR能量预算归一化至观测到的宇宙射线通量，以确保物理一致性。
• 应用费米-LAT的约束条件，即大部分河外伽马射线通量源自离散点源，从而对弥散级联通量施加严格的上限。
• 利用级联通量上限，推断在假设UHECR源自附近源的前提下，所需局部UHECR密度。
• 假设820 GeV EGRB通量的一部分源自UHECR级联，推导出源的最大距离。
• 考虑保守假设：截断能点以上的UHECR也对弥散伽马射线背景有贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测到的宇宙射线通量条件下，UHECR在截断能点以下通过电磁级联反应产生多大程度的弥散伽马射线通量？
• RQ2 费米-LAT对EGRB点源主导性的约束，如何限制UHECR产生的弥散级联通量？
• RQ3 为避免过度产生级联伽马射线通量，所需局部UHECR密度（即‘雾’）为多少？
• RQ4 与观测到的EGRB通量和级联约束一致的UHECR源最大传播距离是多少？
• RQ5 银河系内或附近源在多大程度上可对观测到的UHECR通量做出贡献，而不违反伽马射线背景通量限制？

主要发现

• 为避免过度产生电磁级联引起的弥散伽马射线通量，必须存在一个截断能点以下（1–4×10¹⁸ eV）的局部UHECR‘雾’。
• 即使仅部分820 GeV的河外伽马射线背景源自UHECR级联，此类局部UHECR群体的存在也是必要的。
• 基于级联通量上限，研究将大多数UHECR源的最大传播距离限制在有限的红移范围内。
• 结果具有保守性，因为截断能点以上的UHECR也预期对弥散伽马射线背景有贡献。
• UHECR通量中可能存在不可忽视的贡献来自银河系内的源，这与观测约束一致。
• 分析表明，为与费米-LAT观测结果保持一致，截断能点以下的UHECR在本地宇宙中的丰度必须显著高于以往假设的水平。