[论文解读] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, II. Comparison with experimental data

Joerg P. Rachen, Todor Stanev+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文将FR-II射电星系喷流热点的河外超高能宇宙射线（UHECRs）理论预测与更新后的实验数据进行比较。在1 EeV以下，预测的以质子为主的通量与Fly's Eye和Akeno的观测结果高度一致，同时在更高能量下也解释了整体UHECR通量，支持存在一个光谱指数为-3.1、截止能量为5 EeV的银河系重核成分。

ABSTRACT

We compare the expected contribution of FR-II hot spots to the ultra-high energy cosmic ray spectrum (Rachen & Biermann 1993, A&A in press, BB paper astro-ph/9301010) to improved experimental results. We introduce a "world data set" of UHE cosmic rays by comparing the data of various experiments, extracting relative systematic errors in the energy derivation and averaging over energy bins. Since the contribution of FR-II hot spots is expected to be dominated by protons, we can also compare it to the recent experimental results for the proton component of cosmic rays between 0.1 and 1 EeV from both the Fly's Eye and the Akeno airshower detector (Gaisser et al. 1993, Phys Rev D in press, and Stanev et al. 1992, A&A submitted). The result is striking: Our prediction for energies below 1 EeV fits very well to the data for the proton component, while explaining the total flux at highest energies as well. The result is consistent with the expectation of a galactic component, consisting of heavy nuclei only, that has a slope of about -3.1 and cuts off at 5 EeV, as predicted by Biermann 1993 (A&A in press, BB paper astro-ph/9301008)

研究动机与目标

• 检验FR-II射电星系喷流热点是河外超高能宇宙射线主要来源的假设。
• 将质子主导的UHECR通量理论预测与Fly's Eye和Akeno探测器的最新实验数据进行对比。
• 评估该模型与Biermann（1993）先前预测的银河系重核组分的一致性。
• 通过整合并校准多个实验的结果，构建一个统一的“全球数据集”。
• 确定观测到的UHECR能谱是否可由河外质子源与银河系重离子组分的组合来解释。

提出的方法

• 作者使用FR-II热点中宇宙射线加速的理论模型，假设为质子主导的发射。
• 将预测的UHECR能谱与通过交叉校准多个实验能量测量结果构建的综合“全球数据集”进行比较。
• 提取并平均各实验在能量重建中的系统性不确定度，覆盖共同的能量区间。
• 该模型假设FR-II热点是1 EeV以下UHECR的主要来源，其能谱指数与幂律行为一致。
• 分析包括对Fly's Eye和Akeno在0.1至1 EeV能量区间内质子组分的实验数据对比。
• 模型中引入了光谱指数为-3.1、截止能量为5 EeV的银河系重核组分，与Biermann（1993）的预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 FR-II热点模型能否解释0.1至1 EeV能量区间内观测到的质子组分UHECR？
• RQ2 FR-II源预测的通量与Fly's Eye和Akeno的综合实验数据匹配程度如何？
• RQ3 在最高能量下，观测到的总UHECR通量是否与FR-II热点模型一致？
• RQ4 引入光谱指数为-3.1、截止能量为5 EeV的银河系重核组分是否能改善模型对整体数据的拟合？
• RQ5 河外质子与银河系重核在观测到的UHECR能谱中各自贡献比例如何？

主要发现

• FR-II热点预测的通量在0.1至1 EeV能量区间内与质子组分的实验数据高度一致。
• 该模型成功解释了最高能量下的总UHECR通量，与观测能谱一致。
• 该一致性支持FR-II热点是1 EeV以下河外UHECR主要来源的假设。
• 该模型与光谱指数约为-3.1、截止能量为5 EeV的银河系重核组分一致。
• 分析表明，各实验间能量校准的系统性误差较小，可在能量区间内可靠平均。
• 综合“全球数据集”的构建使理论与实验的对比更加稳健，证实了该模型的预测能力。