[论文解读] From Observations near the Earth to the Local Interstellar Spectra

S. Della Torre, M. Gervasi+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2016

History and Developments in Astronomy参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文通过结合GALPROP进行银河系传播和HelMod进行日球层调制，提出了一种自洽的宇宙射线质子和氦的局部星际谱（LIS），并以旅行者1号的低能数据和AMS-02/PAMELA/CREAM的高能测量结果校准，覆盖太阳活动周期。该LIS能准确再现高、低太阳活动水平下的调制谱，显著降低了宇宙射线传播建模中的不确定性。

ABSTRACT

Propagation of cosmic rays (CRs) from their sources to the observer is described mainly as plain diffusion at high energies, while at lower energies there are other physical processes involved, both in the interstellar space and in the heliosphere. The latter was a subject of considerable uncertainty until recently. New data obtained by several CR missions can be used to and the local interstellar spectra (LIS) of CR species that would significantly reduce the uncertainties associated with the heliospheric propagation. In this paper we present the LIS of CR protons and helium outside the heliospheric boundary. The proposed LIS are tuned to accommodate both, the low energy CR spectra measured by Voyager 1, and the high energy observations publicly released by BESS, Pamela, AMS-01 and AMS-02. The proton and helium LIS are derived by combining CR propagation in the Galaxy, as described by GALPROP, with the heliospheric modulation computed using the HelMod Monte Carlo Tool. The proposed LIS are tuned to reproduce the modulated spectra for both, high and low, levels of solar activity.

研究动机与目标

• 通过为质子和氦推导一致的局部星际谱（LIS），减少宇宙射线传播模型中的不确定性。
• 调和旅行者1号的低能星际谱与AMS-02、BESS和PAMELA的高能观测结果。
• 开发一个统一模型，能够再现不同太阳活动水平下的调制谱，包括高和低太阳活动条件。
• 提供一个稳健且具有物理解释的LIS，最大限度减少对日球层调制和银河系传播中人为假设的依赖。

提出的方法

• 使用GALPROP代码模拟银河系宇宙射线传播，结合扩散、喷流和再加速，采用二维银河系模型。
• 采用HelMod蒙特卡洛工具模拟日球层调制，包括太阳活动极小期的磁漂移效应和太阳活动极大期的漂移抑制。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，利用AMS-02、PAMELA和CREAM-I数据作为观测约束，校准GALPROP和HelMod参数。
• 模型采用双转折幂律注入谱描述质子和氦，额外引入一个高能转折点以匹配CREAM-I数据。
• 该框架同时拟合不同太阳活动水平下的谱，包括低活动期（1997–1998，2006–2010）和高活动期（2000–2002，2011–2013）。
• 为推导出的LIS提供12参数函数形式的解析拟合，适用于质子和氦。

实验结果

研究问题

• RQ1 与低能旅行者1号测量结果和高能地球基观测结果一致的最精确质子和氦局部星际谱是什么？
• RQ2 如何在整个太阳周期内一致地建模银河系传播和日球层调制，以减少宇宙射线谱的不确定性？
• RQ3 银河系中的扩散、喷流和再加速，以及磁漂移和太阳调制，如何共同再现观测到的调制谱？
• RQ4 一个单一的LIS模型能否同时再现不同太阳活动条件下的谱，包括高和低太阳活动阶段？

主要发现

• 推导出的质子和氦局部星际谱能以高精度再现AMS-02在高、低太阳活动期测量的调制谱。
• 该模型成功再现了AMS-02和CREAM-I观测到的高能能谱展平现象，表明需要采用双转折幂律注入谱。
• MCMC扫描得到的最佳参数为银河系晕半宽4.0 kpc，扩散系数归一化值4.3×10²⁸ cm²/s，谱指数δ为0.39。
• 包含喷流和再加速是必不可少的，因为单纯扩散模型被数据排除。
• 模型在五数量级的能量范围内实现1–2%的精度，展示了极高的数值精确度。
• 为LIS提供了12个参数的解析拟合，质子和氦各12个参数，可直接用于天体物理和宇宙学建模。