[论文解读] Observational constraints on cosmic-ray escape from UHE accelerators

Quentin Luce, Sullivan Marafico+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文通过皮埃尔·阿杰尔天文台的观测数据，检验了超高能宇宙射线（UHECR）源内相互作用的唯象学模型，拟合了全粒子能谱、踝能区以下的质子能谱以及簇射最大深度分布。结果表明，与星系际物质密度匹配的空间源分布能够重现数据，要求核素具有较硬的能谱指数（γ ≈ 0.27），但逃逸质子的能谱指数显著偏软（γ ≈ 3.54），尽管假设极端，仍支持源内相互作用作为稳健机制。

ABSTRACT

Interactions of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) accelerated in specific astrophysical environments have been shown to shape the energy production rate of nuclei differently from that of the secondary neutrons escaping from the confinement zone. Here, we aim at testing a generic scenario of in-source interactions through a phenomenological modeling of the flux and composition of UHECRs. We fit a model in which nucleons and nuclei follow different particle energy distributions to the all-particle energy spectrum, proton spectrum below the ankle energy and distributions of maximum shower depths above this energy, as inferred at the Pierre Auger Observatory. We obtain that the data can be reproduced using a spatial distribution of sources that follows the density of extragalactic matter on both local and large scales, providing hence a realistic set of constraints for the emission mechanisms in cosmic accelerators, for their energetics and for the abundances of elements at escape from their environments. While the quasi mono-elemental increase of the cosmic-ray mass number observed on Earth from ${\simeq}\: 2\:$EeV up to the highest energies calls for nuclei accelerated with a hard spectral index, the inferred flux of protons down to ${\simeq}\: 0.6\:$ EeV is shown to require for this population a spectral index significantly softer than that generally obtained up to now. We demonstrate that modeling UHECR data across the ankle substantiate the conjecture of in-source interactions in a robust statistical framework, although pushing the mechanism to the extreme.

研究动机与目标

• 通过皮埃尔·阿杰尔天文台的观测约束，检验UHECR加速环境中源内相互作用的通用情景。
• 确定观测到的能量谱和成分演化（特别是~2 EeV以上质量数的上升）是否可由源级相互作用和逃逸过程解释。
• 使用统一的统计模型，约束UHECR加速器在逃逸时的能谱指数、源光度和元素丰度。
• 通过同时拟合多个可观测量（全粒子能谱、踝能区以下的质子谱、Xmax分布）来评估源内相互作用模型的鲁棒性。

提出的方法

• 构建一个唯象学模型，其中核子和原子核在源处具有不同的能量分布，分别具有不同的能谱指数γp和γA。
• 该模型包含源内相互作用，产生次级中子，这些中子自由逃逸并衰变为质子，从而贡献于观测到的质子通量。
• 该模型被拟合至三个关键可观测量：全粒子能谱、踝能区以下的质子谱（log10(E/eV) < 19.0），以及多个能量区间的簇射最大深度（Xmax）分布。
• 使用EPOS-LHC和Sibyll2.3c强子相互作用模型模拟空气簇射的演化并计算Xmax分布。
• 采用卡方-似然拟合方法，利用偏差统计量，分别计算通量（J）、质子谱（Jp）和Xmax数据的贡献，通过最小化总偏差来确定最佳拟合参数。
• 源的空间分布被建模为与星系际物质的大尺度和局部分布一致，从而提供天体物理上合理的源几何约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含源内相互作用的单一模型能否同时重现全粒子能谱、踝能区以下的质子谱和Xmax分布？
• RQ2 为拟合观测数据，逃逸时质子和核素所需的能谱指数是多少？与标准加速模型相比有何差异？
• RQ3 与星系际物质密度匹配的源分布是否能为UHECR数据提供统计上稳健的拟合？
• RQ4 观测到的~2 EeV以上质量数的准单元素增加是否与核素的硬能谱指数和质子的软能谱指数一致？
• RQ5 数据对UHECR源在逃逸时的光度和元素组成施加了何种约束？

主要发现

• 数据可通过一个源分布与星系际物质在局部和大尺度上一致的模型良好重现，为源几何提供了真实的天体物理约束。
• 推断出的逃逸质子能谱指数显著偏软（γp ≈ 3.54），与通常假设的值相比明显不同，而核素所需的能谱指数则较硬（γA ≈ 0.27）。
• 该模型成功重现了观测到的质量数随能量增加的现象，表明源内相互作用和选择性逃逸是塑造成分演化的关键因素。
• 当允许质子和核素具有独立的能谱指数（γp ≠ γA）时，偏差减少了130单位，相较于使用共同指数，表明统计上显著改善。
• 使用Sibyll2.3c替代EPOS-LHC时，最佳拟合参数相似，但成分偏差增加了约20单位，表明对强子相互作用模型具有敏感性。
• 最佳拟合模型表明，源内相互作用产生的次级中子显著贡献于踝能区以下的质子通量，从而解释了尽管注入能谱较硬，但质子谱仍偏软的原因。