[论文解读] Large-scale sidereal anisotropy of multi-TeV galactic cosmic rays and the heliosphere

M. Amenomori, Xiao-Jun Bi+84 more|ArXiv.org|Sep 5, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出一种模型，通过在氢气偏转平面（HDP）中引入一对高斯强度超额，来解释西藏AS $γ$实验观测到的多TeV银河宇宙射线大尺度恒星天球各向异性。通过将观测天图与单向和双向流以及以约50°偏离太阳尾流方向为中心的HDP相关超额相结合进行拟合，该模型成功再现了强度分布的偏斜特征，并揭示了日球层中显著的南北不对称性，其中南部超额幅度比北部高出约0.2%。

ABSTRACT

We develop a model anisotropy best-fitting to the two-dimensional sky-map of multi-TeV galactic cosmic ray (GCR) intensity observed with the Tibet III air shower (AS) array. By incorporating a pair of intensity excesses in the hydrogen deflection plane (HDP) suggested by Gurnett et al., together with the uni-directional and bi-directional flows for reproducing the observed global feature, this model successfully reproduces the observed sky-map including the "skewed" feature of the excess intensity from the heliotail direction, whose physical origin has long remained unknown. These additional excesses are modeled by a pair of the northern and southern Gaussian distributions, each placed ~50 degree away from the heliotail direction. The amplitude of the southern excess is as large as ~0.2 %, more than twice the amplitude of the northern excess. This implies that the Tibet AS experiment discovered for the first time a clear evidence of the significant modulation of GCR intensity in the heliotail and the asymmetric heliosphere.

研究动机与目标

• 解释西藏AS $γ$实验观测到的多TeV银河宇宙射线强度分布中的大尺度恒星各向异性。
• 探究尚未解释的太阳风尾方向强度偏斜超额的物理起源。
• 检验日球层结构，特别是其不对称性，是否能够解释观测到的各向异性特征。
• 确定Gurnett等人识别出的氢气偏转平面（HDP）是否除了全局流动模式外，还存在额外的宇宙射线强度超额。
• 量化这些超额的幅度和角分布，并评估其对日球层不对称性的意义。

提出的方法

• 该模型结合单向和双向宇宙射线流分量，以重现全局各向异性特征。
• 在HDP中引入一对高斯强度超额，每个超额中心位于距太阳尾流方向约50°的位置，由幅度 $b_1$ 和 $b_2$、角宽度 $ heta_{\text{width}}$ 和 $ ho_{\text{width}}$ 以及角偏移 $ heta$ 参数化。
• 各向异性模型由公式（4）定义，其中使用 $ heta_{n,m}$ 和 $ ho_{n,m}$ 表示沿HDP及其垂直方向的角依赖性。
• 通过最小二乘法拟合将模型与观测天图匹配，包含11个自由参数，包括流幅度、方向角和高斯宽度。
• 通过从观测数据中减去模型来评估剩余各向异性，并使用约化 $ ilde{\rho}^2$ 值1.791来评估拟合优度。
• 通过将残差显著性图（图1f）与观测数据对比，对模型进行验证，确认成功再现了偏斜超额特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的太阳风尾方向偏斜强度超额是否可由日球层中的结构化调制来解释？
• RQ2 氢气偏转平面（HDP）是否是除全局流动模式外，额外宇宙射线强度超额的合理位置？
• RQ3 这些超额的角分布和幅度如何？它们是否表明日球层存在南北不对称性？
• RQ4 与不包含这些超额的模型相比，引入基于HDP的高斯超额是否显著改善了对多TeV GCR天图的拟合？
• RQ5 观测到的HDP中南北两个超额幅度差异的物理意义是什么？

主要发现

• 该模型成功再现了多TeV银河宇宙射线的观测大尺度恒星各向异性，包括此前未被解释的太阳风尾方向的偏斜强度超额。
• 最佳拟合模型在HDP中包含一对高斯超额，每个中心位于距太阳风尾方向约50°的位置，最佳拟合角偏移 $ heta = 50.0^\text{°}$。
• 南部超额幅度（$b_1$）比北部超额幅度（$b_2$）高出约0.2%，表明日球层结构存在显著的南北不对称性。
• 基于1269个自由度的约化 $ ilde{\rho}^2$ 值为1.791，证实了与观测数据的统计可接受拟合。
• 该模型在拟合残差各向异性图（图1f）上的成功，表明基于HDP的超额对解释观测天图特征至关重要。
• 结果提供了多TeV宇宙射线各向异性中日球层不对称性的首个直接观测证据，将其与HDP及太阳风尾区域联系起来。