[论文解读] Hard spectrum of cosmic rays in the Disks of Milky Way and Large Magellanic Cloud

A. Neronov, D. Malyshev|arXiv (Cornell University)|May 28, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 12

一句话总结

利用费米-LAT γ射线数据，本研究测量了银河系和大麦哲伦云（LMC）盘面的宇宙射线（CR）能谱，发现在10 GeV–1 TeV能量范围内宇宙射线谱指数Γ ≈ 2.45为普适值。该分析将π介子衰变产生的γ射线与逆康普顿辐射和轫致辐射分离，揭示了本地测量的宇宙射线能谱比银河系平均能谱更软，这是由于局部源的离散分布以及恒星形成率的时间波动所致。

ABSTRACT

The slope of the locally measured spectrum of cosmic rays varies from 2.8 for protons with energies below 200 GeV down to 2.5 for heavy nuclei with energies in the TeV-PeV range. It is not clear if the locally measured slope values are representative for those of the overall population of Galactic cosmic rays and if the slope of the cosmic ray spectrum varies across the Galaxy. We use the data of Fermi Space gamma-ray Telescope to derive a measurement of the slope of the cosmic ray spectrum across the Galactic Disk and to compare it with that of the Large Magellanic Cloud cosmic rays. A special choice of the background estimation regions allows us to single out the neutral pion decay component of the gamma-ray flux in the energy range above 10 GeV and to separate it from (a) emission from the local interstellar medium around the Solar system and (b) from the inverse Compton emission produced by cosmic ray electrons. Results. The spectrum of the pion decay gamma-ray emission from the Galactic disk in the energy band 10 GeV - 1 TeV has the slope 2.4. There is no evidence for the variation of the slope with Galactic longitude / distance from the Galactic Centre. The slope of the spectrum of cosmic rays derived from the gamma-ray data, 2.45, is harder than the slope of the locally observed cosmic ray proton spectrum. Pion decay emission from a powerlaw distribution of cosmic rays with the same hard slope also provides a fit to the gamma-ray spectrum of the Large Magellanic Cloud. Identical and hard slopes of the spectra of cosmic rays in the Milky Way and in the Large Magellanic Cloud are consistent with a straightforward theoretical model in which cosmic rays are injected by shock acceleration with the spectrum with the slope 2...2.1 which is subsequently modified by 1/3...1/2 by the energy-dependent escape of cosmic rays through the turbulent Galactic magnetic field.

研究动机与目标

• 利用γ射线数据测量银河系盘面及大麦哲伦云（LMC）区域的宇宙射线（CR）能谱指数。
• 检验本地测量的宇宙射线能谱（Γ ≈ 2.8，质子能量低于200 GeV）是否代表银河系宇宙射线群体的平均状态。
• 探究恒星形成率变化或源分布差异是否导致局部宇宙射线测量中出现空间或时间上的能谱软化。
• 确定LMC中的宇宙射线能谱是否与银河系一致，以检验宇宙射线注入机制的普适性。
• 评估所观测到的能谱指数是否可由湍流磁场中激波加速的标准模型及能量依赖的逃逸机制解释。

提出的方法

• 使用2008–2014年共6.7年的费米-LAT数据，响应函数为P7REP，科学工具版本为v9r33p0。
• 采用背景估计策略，从10 GeV–1 TeV能量范围内分离出π介子衰变产生的γ射线成分，排除逆康普顿辐射和轫致辐射的影响。
• 采用基于像素的似然分析与孔径光度测量法，从银河系盘面区域及LMC中提取γ射线能谱。
• 选择ISM发射较弱且电子贡献较低的区域，以增强对π介子衰变信号的探测灵敏度。
• 对观测到的γ射线能谱拟合幂律模型，推断宇宙射线能谱指数。
• 将银河系盘面与LMC中推导出的宇宙射线能谱指数进行比较，以检验其一致性与普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 本地测量的宇宙射线能谱（Γ ≈ 2.8，质子能量低于200 GeV）是否代表银河系宇宙射线群体的平均状态？
• RQ2 宇宙射线能谱指数在银河系盘面内是否存在变化，特别是随银道坐标经度或距银河中心距离的变化？
• RQ3 大麦哲伦云（LMC）中的宇宙射线能谱是否与银河系一致，表明存在普适的注入机制？
• RQ4 所观测到的硬宇宙射线能谱（Γ ≈ 2.45）是否可由激波加速的标准模型及湍流磁场中能量依赖的逃逸机制解释？
• RQ5 局部能谱软化与波动在多大程度上源于宇宙射线源（如超新星和恒星形成事件）的空间离散性与时间变异性？

主要发现

• 基于π介子衰变γ射线发射推导出的银河系盘面宇宙射线能谱在10 GeV–1 TeV能量范围内具有硬谱指数Γ ≈ 2.45。
• 在银河系盘面内未发现宇宙射线能谱指数的显著变化，表明平均宇宙射线能谱在空间上具有同质性。
• 大麦哲伦云（LMC）中的宇宙射线能谱同样表现出硬谱指数Γ ≈ 2.45，与银河系一致。
• 银河系平均宇宙射线能谱（Γ ≈ 2.45）比本地测量的质子能谱（200 GeV以下Γ ≈ 2.8）更硬，表明存在局部能谱软化。
• 所观测到的普适谱指数与理论模型一致：宇宙射线以硬谱指数（Γ_inj ≈ 2.0–2.1）注入，并在湍流磁场中因能量依赖的逃逸而软化（ΔΓ ≈ 1/3–1/2）。
• 局部能谱软化归因于宇宙射线源（如超新星和恒星形成事件）的空间离散分布与时间变异性，而非注入过程本身的内在变化。