[论文解读] Intergalactic Propagation of UHE Cosmic Rays

A. Achterberg, Yves Gallant+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 10

一句话总结

本文研究了能量高于10^18.5 eV的超高能宇宙射线（UHECRs）在星系际空间中的传播，考虑了在宇宙微波背景辐射上通过光致产生π介子和电子对所产生的能量损失，以及在弱星系际磁场中的偏转效应。研究结果表明，标准的能量损失连续近似对UHECRs不成立，数值模拟显示由于相互作用速率的随机性及运动学效应，导致显著的时间延迟和谱形改变。

ABSTRACT

We discuss the intergalactic propagation of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) with energies E \geq 10^{18.5} eV. We consider the propagation of UHECRs under the influence of the energy-dependent deflection by a weak random magnetic field in the intergalactic medium and energy losses by photo-pion and pair production. We calculate arrival spectra taking full account of the kinematics of photo-pion production and the Poisson statistics of the photo-pion interaction rate. We give estimates for the deflection of UHECRs from the line of sight to the source, time delays with respect to photons from the same source, arrival spectra and source statistics. These estimates are confirmed by numerical simulations of the propagation in energy evolution of UHECRs. These simulations demonstrate that the often-used continuous approximation in the treatment of energy losses due to photo-pion production on the cosmic microwave background (CMWB) cannot be justified for UHECRs. We discuss the implications of these results for the observed flux of particles above the Greisen-Zatsepin-Kuz'min cut-off in two of the scenarios that have been proposed for the production of these particles: continuous production in the large shock waves associated with powerful radio galaxies, or possibly large-scale structure formation, and the impulsive production at relativistic blast waves associated with cosmological gamma-ray bursts.

研究动机与目标

• 理解随机能量损失和磁偏转对UHECR在星系际空间中传播的影响。
• 评估在建模光致产生π介子过程中的能量损失时，使用连续近似的有效性，该过程发生在宇宙微波背景辐射上。
• 评估运动学约束和泊松分布的相互作用速率对到达谱形和时间延迟的影响。
• 研究这两种主流UHECR产生机制的后果：射电星系的连续发射与伽马射线暴的瞬时发射。
• 通过完整的数值模拟，提供UHECR通量、偏转角和时间延迟的准确预测。

提出的方法

• 使用精确的光致产生π介子过程的运动学，对UHECR传播进行完整能量损失演化建模。
• 通过泊松统计引入光致产生π介子过程在CMB上的相互作用速率的随机性。
• 在弱随机星系际磁场中，模拟具有时间依赖能量损失和偏转效应的传播过程。
• 使用数值模拟将结果与标准连续近似下的能量损失结果进行对比。
• 计算从源到观测者的到达谱形、偏转角和时间延迟，包括源统计信息。
• 与解析估计进行验证，并评估在高能区域连续近似失效的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 光致产生π介子相互作用速率的随机涨落如何影响UHECR的能量损失和传播？
• RQ2 星系际介质中的磁偏转在多大程度上改变了UHECR的到达方向？
• RQ3 由于传播过程中的能量损失，UHECR与来自同一源的光子之间的时间延迟是多少？
• RQ4 对于UHECR在CMB上光致产生π介子过程中的能量损失，连续近似在多大程度上是准确的？
• RQ5 这些传播效应对两种主流产生机制中观测到的UHECR通量有何影响：射电星系和伽马射线暴？

主要发现

• 由于光致产生π介子过程在CMB上的能量损失，连续近似对UHECR不成立，因为随机涨落显著改变了传播动力学。
• 数值模拟表明，能量损失以离散的随机步骤发生，而非平滑过程，导致来自同一源的UHECR与光子之间出现可测量的时间延迟。
• 由于星系际磁场引起的UHECR偏转可能非常显著，尤其是对低能粒子，影响其到达方向和角分布。
• 由于运动学约束和泊松分布的相互作用速率，到达谱形发生改变，导致与连续模型预测的谱形出现偏差。
• 在GZK截止能量以上的观测通量强烈受能量损失随机性的影响，特别是在射电星系持续产生UHECR的情景中尤为明显。
• 对于伽马射线暴等瞬时源，时间延迟与偏转的综合作用可导致到达时间和方向的显著展宽，从而影响源的识别。