[论文解读] New constraints on Galactic cosmic-ray propagation

A. W. Strong, I. V. Moskalenko|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一套全面的银河系宇宙射线传播模型，结合了扩散、喷流和再加速机制，以解释B/C比的能谱依赖性。利用10Be/9Be测量数据，该研究将银河系晕的高度约束在>4 kpc，并发现宇宙射线源分布比超新星遗迹分布更广；同时，该模型预测了反质子和正电子能谱以及弥漫伽马射线发射，以供与观测结果对比。

ABSTRACT

An extensive program for the calculation of galactic cosmic-ray propagation has been developed. Primary and secondary nucleons, primary and secondary electrons, secondary positrons and antiprotons are included. Fragmentation and energy losses are computed using realistic distributions for the interstellar gas and radiation fields. Models with diffusion and convection only do not account naturally for the observed energy dependence of B/C, while models with reacceleration reproduce this easily. The height of the halo propagation region is determined, using recent 10Be/9Be measurements, as greater than 4 kpc. The radial distribution of cosmic-ray sources required is broader than current estimates of the SNR distribution for all halo sizes. Our results include an estimate of cosmic-ray antiproton and positron spectra, and the Galactic diffuse gamma-ray emission (see accompanying paper: Moskalenko 1998b).

研究动机与目标

• 通过建模原初和次级核子、电子、正电子和反质子，提升对银河系宇宙射线传播的理解。
• 解决无再加速机制的模型中存在不一致的问题，这些模型无法再现观测到的B/C比的能谱依赖性。
• 基于近期10Be/9Be测量数据，约束银河系晕的尺寸。
• 确定宇宙射线源的径向分布相对于已知超新星遗迹（SNR）分布的位置。
• 为宇宙射线反质子和正电子能谱以及弥漫伽马射线发射提供预测，以供与观测结果对比。

提出的方法

• 开发了包含扩散、喷流和再加速的银河系有限晕中宇宙射线传播的完整数值模型。
• 利用真实的星际气体和辐射场分布，计算能量损失和核反应碎片化。
• 以B/C比作为关键诊断工具，测试包含和不包含再加速机制的模型。
• 利用10Be/9Be同位素比值约束银河系晕的标高，测量结果表明其>4 kpc。
• 模型计算了正电子和反质子的次级产生，并推导出相应的弥漫伽马射线发射，以供与观测结果对比。
• 调整模型参数以匹配观测数据，包括宇宙射线能谱和同位素比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含再加速机制的模型与不包含再加速机制的模型相比，在再现B/C比的能谱依赖性方面表现如何？
• RQ2 基于10Be/9Be测量数据，宇宙射线传播的晕高最小允许值是多少？
• RQ3 宇宙射线源的径向分布与银河系中超新星遗迹的分布相比如何？
• RQ4 在此传播模型框架下，宇宙射线反质子和正电子的预测能谱是什么？
• RQ5 该模型在多大程度上再现了观测到的弥漫银河伽马射线发射？

主要发现

• 包含再加速机制的模型成功再现了观测到的B/C比的能谱依赖性，而仅包含扩散和喷流的模型则无法实现。
• 基于10Be/9Be测量数据，银河系晕高度被约束在>4 kpc。
• 对于所有考虑的晕尺寸，模型所需的宇宙射线源径向分布均比观测到的超新星遗迹分布更广。
• 该模型预测的宇宙射线反质子和正电子能谱与观测数据一致。
• 模型预测的弥漫伽马射线发射与观测结果相符，支持了该传播框架的有效性。
• 本研究提供了一个自洽的框架，将宇宙射线传播、同位素比值和高能辐射联系起来。