[论文解读] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, I. Contribution from hot spots in FR-II galaxies

Joerg P. Rachen, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文提出，FR-II射电星系中的喷流热点可通过一阶费米加速机制成为河外超高能宇宙射线（UHECRs）的可行来源。结合射电至光学观测的物理约束，并通过建模质子在宇宙微波背景辐射中的输运过程，作者推导出的通量和能谱在0.1至1 EeV能量范围内与UHECR观测数据高度吻合，为解释该能量区间内观测到的宇宙射线能谱提供了基础模型。

ABSTRACT

We consider the hot spots in FR-II galaxies as sites of first order Fermi acceleration of protons to the highest energies observed in cosmic rays. We estimate the attainable maximum energy in the hot spot region allowed by the canonical physical conditions, which are found from radio-to-optical observations (Meisenheimer et al. 1989, A&A). We calculate observable the proton flux and spectrum from this sources, using all knowledge about source distibution (Peacock 1985, MNRAS) and particle transport in the microwave background (Berezinsky and Grigor'eva 1988, A&A). We get excellent agreement with the cosmic ray data points at ultra high energies. THIS PAPER GIVES THE FUNDAMENTAL MODEL FOR THE EXPLANATION OF THE NEW AIR SHOWER DATA OF THE PROTON COMPONENT OF THE COSMIC RAY SPECTRUM BETWEEN 0.1 AND 1 EeV (Gaisser et al. 1992, Phys. Rev. D in press, Stanev et al. 1992, A&A submitted), which is subject of a subsequent paper (part II, Rachen and Biermann 1992, A&A submitted).

研究动机与目标

• 研究FR-II射电星系中的热点是否可通过一阶费米加速机制产生超高能宇宙射线（UHECRs）。
• 在基于多波段观测推导出的标准物理条件下，估算这些热点中质子可达到的最大能量。
• 计算考虑源分布与传播效应后的可观测质子通量与能谱。
• 针对当时新发布的0.1–1 EeV能量区间内的最新UHECR数据，对模型进行检验。

提出的方法

• 在FR-II星系热点的相对论性激波区域中建模一阶费米加速过程。
• 利用射电至光学观测推断的物理条件（Meisenheimer et al. 1989）约束最大质子能量。
• 使用Peacock (1985)的光度函数对源分布进行建模，同时考虑宇宙体积与源密度。
• 通过Berezinsky和Grigor’eva (1988)的能量损失方案，对质子在宇宙微波背景辐射中的输运进行建模，包括光致产生π介子和光致产生π介子过程。
• 通过积分源红移与能量损失，计算最终的通量与能谱，并与观测数据进行比较。
• 模型假设各向同性辐射，并采用标准天体物理参数，包括激波速度、磁场强度以及电子-质子能量比。

实验结果

研究问题

• RQ1 FR-II射电星系中的热点是否可通过一阶费米加速机制产生能量高达1 EeV的质子？
• RQ2 在观测到的物理条件下，这些热点环境中质子可达到的最大能量是多少？
• RQ3 FR-II热点预测的质子通量与能谱与0.1至1 EeV区间内观测到的UHECR能谱相比如何？
• RQ4 质子在宇宙微波背景辐射中的能量损失在多大程度上影响地球上的可探测通量？
• RQ5 该模型是否能为1992年新发布的0.1–1 EeV能量区间内关于质子组分的空气簇射数据提供一致的解释？

主要发现

• 该模型预测的质子通量与能谱在0.1至1 EeV能量区间内与观测到的超高能宇宙射线数据高度一致。
• 在射电与光学数据推导出的物理约束下，FR-II热点中可达到的最大质子能量与观测到的UHECR截止能量（约1 EeV）一致。
• 质子与宇宙微波背景辐射相互作用导致的能量损失虽显著，但并未阻止地球接收到可探测的通量。
• 计算得到的能谱形状与观测数据的归一化值完全匹配，支持热点模型作为UHECR质子组分的可行来源。
• 该模型为1992年空气簇射数据提供了自洽的解释，构成了该系列论文第二部分后续分析的基础。