[论文解读] Galactic gamma-ray bursters - an alternative source of cosmic rays at all energies

Arnon Dar, R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本文提出，银河系伽马射线暴（GRB）事件——即中子星形成或坍缩产生的高度相对论性、准直喷流——在银河系晕中加速宇宙射线，从而解释了全能量范围内宇宙射线的起源。该模型自然解释了宇宙射线能谱中GZK截止的缺失以及‘拐点’特征，同时解释了高能宇宙射线的各向同性和弱银心梯度。

ABSTRACT

We propose a new hypothesis for the origin of the major part of non-solar hadronic cosmic rays (CRs) at all energies: highly relativistic, narrowly collimated jets from the birth or collapse of neutron stars (NSs) in our Galaxy accelerate ambient disk and halo matter to CR energies and disperse it in hot spots which they form when they stop in the Galactic halo. Such events are seen as cosmological gamma-ray bursts (GRBs) in other galaxies when their beamed radiation happens to point towards Earth. This source of CRs is located in the Galactic halo. It therefore explains the absence of the Greisen-Zatsepin-Kuz'min cutoff in the spectrum of the ultra-high energy CRs. The position in energy of the ``ankle'' in the CR energy spectrum is shown to arise in a natural way. Moreover, an origin of lower energy CRs in the Galactic halo naturally accounts for the high degree of isotropy of CRs around 100 TeV from airshower observations, and the small galactocentric gradient of low-energy CRs derived from gamma-ray observations.

研究动机与目标

• 解释全能量范围内非太阳强子宇宙射线的起源。
• 解决超高能宇宙射线中未观测到Greisen-Zatsepin-Kuz'min截止的谜题。
• 解释在约100 TeV附近观测到的宇宙射线各向同性以及低能宇宙射线分布中弱银心梯度的现象。
• 提出一种统一的天体物理机制，将GRB与银河系晕中宇宙射线的产生联系起来。

提出的方法

• 在银河系晕中模拟中子星形成或坍缩产生的高度相对论性、窄束喷流。
• 模拟喷流在晕介质中的传播与能量沉积，喷流停止后形成热点。
• 利用束状效应解释为何从地球观测时此类事件表现为宇宙学距离的GRB。
• 应用能量依赖的粒子加速与扩散模型，预测宇宙射线能谱。
• 将理论能谱与观测特征（如‘拐点’和100 TeV附近的各向同性）进行匹配。
• 利用伽马射线观测约束低能宇宙射线的空间分布与能量梯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系伽马射线暴事件能否解释全能量范围（包括超高能）宇宙射线的起源？
• RQ2 尽管在宇宙学距离上预期存在能量损失，为何宇宙射线能谱中未观测到Greisen-Zatsepin-Kuz'min截止？
• RQ3 如果宇宙射线源自局域源，如何解释约100 TeV附近宇宙射线的高各向同性？
• RQ4 银河系晕中何种物理机制能自然产生宇宙射线能谱中的‘拐点’特征？
• RQ5 为何低能宇宙射线的银心梯度小于基于盘源预期的值？

主要发现

• 该模型通过将超高能宇宙射线源置于银河系晕中（能量损失最小化）来解释GZK截止的缺失。
• 宇宙射线能谱中‘拐点’的位置自然源于相对论性喷流在晕中能量依赖的传播与停止过程。
• 约100 TeV附近宇宙射线的高各向同性由源在晕中的分布所导致，该分布使方向性各向异性被平均化。
• 低能宇宙射线弱银心梯度的成因在于源起源于扩展的晕区，与伽马射线观测一致。
• 该模型通过单一的天体物理机制——即中子星形成或坍缩产生的相对论性喷流——统一解释了高能与低能宇宙射线。
• 观测到的宇宙学GRB被解释为这些同源银河系事件的束状、朝向地球的视图，从而将GRB与宇宙射线起源联系起来。