[论文解读] Imprint of a 2 Myr old source on the cosmic ray anisotropy

V. Savchenko, M. Kachelrieß+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用 47

一句话总结

本文提出，2–20 TeV 范围内宇宙射线偶极各向异性的平台现象源于一个年龄为 2 Myr 的单一附近源，其通量各向异性仅由距离（~200 pc）和年龄决定，与磁场或宇宙射线能量无关。数值模拟宇宙射线轨迹证实，即使存在规则和湍流的银河系磁场，偶极各向异性 δ ≈ 3R/(2cT) 依然成立，为能量无关的平台现象提供了自然解释，并将其与导致正电子和反质子增强的本地源联系起来。

ABSTRACT

We study numerically the anisotropy of the cosmic ray (CR) flux emitted by a single source calculating the trajectories of individual CRs. We show that the contribution of a single source to the observed anisotropy is instead determined solely by the fraction the source contributes to the total CR intensity, its age and its distance,and does not depend on the CR energy at late times. Therefore the observation of a constant dipole anisotropy indicates that a single source dominates the CR flux in the corresponding energy range. A natural explanation for the plateau between 2--20 TeV observed in the CR anisotropy is thus the presence of a single, nearby source. For the source age of 2 Myr, as suggested by the explanation of the antiproton and positron data from PAMELA and AMS-02 through a local source [arXiv:astro-ph/1504.06472], we determine the source distance as $\sim 200$ pc. Combined with the contribution of the global CR sea calculated in the escape model, we can explain qualitatively the data for the dipole anisotropy. Our results suggest that the assumption of a smooth CR source distribution should be abandoned between 200 GeV and 1 PeV.

研究动机与目标

• 解释观测到的 2–20 TeV 范围内宇宙射线偶极各向异性的平台现象，该现象与标准扩散传播模型相矛盾。
• 研究在给定年龄和距离的情况下，单一附近源是否能主导该能量范围内的各向异性。
• 检验在准高斯扩散区，单一源的偶极各向异性是否独立于宇宙射线能量和磁场结构。
• 将观测到的各向异性与同样能解释 PAMELA 和 AMS-02 观测到的反质子和正电子谱异常的本地源相协调。
• 挑战 200 GeV–1 PeV 范围内宇宙射线源分布平滑、全局的假设。

提出的方法

• 在湍流和规则的银河系磁场中，使用洛伦兹方程对单个宇宙射线轨迹进行数值模拟。
• 采用嵌套网格以相对于伦德堡半径解析小尺度磁场涨落。
• 将源建模为点状瞬时注入，其动量分布通过从 1 pc 到 1 kpc 的同心球面测量。
• 计算通量各向异性 A = (Fmax − Fmin)/(Fmax + Fmin)，并转换为强度各向异性 δ = 3A/2。
• 通过对称区域（球对称或轴对称）进行系统平均，以减少统计不确定性。
• 在不同磁场条件下（包括湍流和规则分量）验证准高斯区内的解析公式 A = R/(cT)，确认其有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的、附近的宇宙射线源能否解释 2–20 TeV 范围内能量无关的偶极各向异性平台？
• RQ2 在准高斯扩散区，单一源的偶极各向异性是否独立于宇宙射线能量和磁场结构？
• RQ3 要产生观测到的各向异性幅度和平台形状，该源需要多远的距离和多长的年龄？
• RQ4 主导本地源的存在如何影响宇宙射线源分布平滑、全局的假设的有效性？
• RQ5 同一源能否同时解释各向异性平台以及 PAMELA 和 AMS-02 观测到的正电子和反质子通量增强？

主要发现

• 在准高斯区，单一宇宙射线源的偶极各向异性 δ 与宇宙射线能量和磁场构型无关，δ ≈ 3R/(2cT)。
• 对于年龄为 2 Myr、距离约 200 pc 的源，预测的各向异性与 2–20 TeV 范围内观测到的平台一致。
• 规则磁场的存在并不改变各向异性，证实 δ ≈ 3R/(2cT) 在磁场线对齐的情况下依然成立。
• 观测到的各向异性平台最合理的解释是单一本地源主导了 2–20 TeV 范围内的通量，低能区的下降源于源贡献的减少。
• 该模型表明，宇宙射线源分布平滑、全局的假设在 ~200 GeV 至 1 PeV 范围内失效，需采用局部源处理方法。
• 结果与年龄约 2 Myr 的超新星遗迹在 ~200 pc 处一致，可能解释深海地壳中 60Fe 的过量，并与正电子和反质子异常的本地源解释一致。