[论文解读] Evidence for UHECR origin in starburst galaxies

Luis A. Anchordoqui, Jorge F. Soriano|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 64被引用 4

一句话总结

本文提出，超高能宇宙射线（UHECRs）起源于星暴星系，其中超风驱动的多重平行激波通过扩散性激波加速，产生更平坦的粒子能谱（$f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$），与观测数据相符。该模型解释了能谱中的脚点（ankle）特征、约$10^{10.6}$ GeV附近的通量抑制现象以及成分趋势，星暴星系作为源群体与阿尔弗雷德（Auger）和望远镜阵列（Telescope Array）实验的数据一致。

ABSTRACT

The quest for the origin(s) of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) continues to be a far-reaching pillar of high energy astrophysics. The source scrutiny is mostly based on three observables: the energy spectrum, the nuclear composition, and the distribution of arrival directions. We show that each of these three observables can be well reproduced with UHECRs originating in starburst galaxies.

研究动机与目标

• 通过将星暴星系识别为可行的源，解决UHECR起源这一长期存在的谜题。
• 通过物理解释的加速机制，解释观测到的UHECR能谱，包括脚点和通量抑制现象。
• 调和望远镜阵列与皮埃尔·朱尔·奥古斯特（Pierre Auger）天文台在成分和能谱形状上的数据差异。
• 回应早期模型的批评，表明多重激波可减少时间约束并产生更平坦的能谱。
• 证明源级GZK相互作用可解释观测到的最大能量截止，与标准GZK截止解释不同。

提出的方法

• 在星暴星系超风中，通过多重平行激波的扩散性激波加速建模UHECR加速，磁感应强度方向与激波面平行。
• 使用Rankine-Hugoniot跃变条件描述磁流体动力学激波的等离子体行为，假设理想气体状态方程和恒定的$\gamma$。
• 在每个激波处计算粒子注入与再加速，通过激波间的绝热膨胀降低加速时间约束。
• 对无限分布的相同激波进行求和，包含新鲜注入与绝热膨胀，推导出净的$f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$动量分布。
• 通过$ dN = 4\pi p^2 f_{\infty}(p)\,dp $将微分能量谱$dN/dE \propto E^{-\gamma}$与动量空间分布关联，以拟合观测数据。
• 通过GZK相互作用引入源级能量损失，以约束UHECR最大能量，其依赖于核电荷$Z$与质量数$A$。

实验结果

研究问题

• RQ1 UHECR能谱（包括脚点与通量抑制）是否可通过星暴星系超风中的加速机制得到解释？
• RQ2 观测到的成分趋势——低能时较轻，高能时较重——是否与星暴环境中多重激波加速的预测一致？
• RQ3 在单一源模型下，望远镜阵列（$10^{10.73}$ GeV）与阿尔弗雷德（$10^{10.6}$ GeV）观测到的通量抑制能量差异是否可调和？
• RQ4 脚点处观测到的能谱硬化是否与源能谱$\propto E^{-\gamma}$且$1.0 \lesssim \gamma \lesssim 1.5$一致？
• RQ5 源级GZK相互作用是否可解释最大UHECR能量，而无需假设普遍的GZK截止？

主要发现

• 由于多重激波的存在，该模型产生更平坦的粒子能谱$f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$，相比单激波模型（$f(p)\propto p^{-4}$）更符合观测到的UHECR能谱。
• 预测的源能谱指数$\gamma \approx 1.2$至$1.5$与望远镜阵列和皮埃尔·朱尔·奥古斯特天文台数据的联合分析一致，特别是微分能量谱$dN/dE \propto E^{-\gamma}$。
• 阿尔弗雷德观测到的约$E \sim 10^{10.6}$ GeV处的通量抑制与望远镜阵列观测到的约$E \sim 10^{10.73}$ GeV处的通量抑制，均被该模型良好再现，最大能量由源级GZK损失决定。
• 该模型解释了成分趋势：在$10^{9.3}$ GeV以下为轻核素（质子、氦），在$10^{10.5}$ GeV以上发生向重核的转变，与阿尔弗雷德的发现一致。
• 该模型与观测到的高于$10^{10.6}$ GeV的UHECR与附近星暴星系之间的相关性相容，事后概率为$p \approx 0.005$。
• 引入多重激波与绝热膨胀后，显著降低了所需的加速时间，缓解了早期模型的关键批评。