[论文解读] On the Origin of Cosmic Rays

R. Plaga|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用 4

一句话总结

本文认为，超新星遗迹（SNRs）不太可能是银河系宇宙射线的主要来源，因为来自甚高能伽马射线和宇宙射线各向异性的观测证据与所需的30%加速效率相矛盾，表明应存在一类新的天体物理对象——可能位于银晕外侧——负责强子型宇宙射线。该模型提出，同一类源也可能解释超高能宇宙射线，从而挑战以超新星遗迹为中心的传统范式。

ABSTRACT

The problem in identifying the sites of origin of Galactic Cosmic Rays (CRs) is reviewed. Recent observational evidence from very-high energy (VHE, energies above 100 GeV) gamma-ray measurements is in contradiction with the surmise that synchrotron radiation from relativistic electrons is indicative for hadron acceleration. It rather points to a CR-acceleration efficiency of supernova remnants (SNRs) below one percent, much less than the value required if these objects were to be the main sources of Galactic cosmic rays (about 30%). Observations of CR anisotropy and the emission of low-energy (energy < 10 GeV) gamma-rays from the Galactic disk indicate that the sources of low-energy cosmic rays are distributed with a Galactocentric radial scale length in the order of 25 +- 10 kpc, much larger than expected if SNRs are the main sources of CRs. These two facts - together with the body of evidence from CR isotope abundances - strongly suggest that a new class of astrophysical objects - distinct from SNRs and located manly in the outer reaches of our Galaxy - is the major source of hadronic CRs in our Galaxy. The basic observational features of ultra high-energy (UHE, energy > 10^{19} eV) CRs are most naturally understood if the same CR sources accelerate CRs up to the highest observed CR energies. Proposals for the nature of a new source class are mentioned. The origin of CRs is still as much shrouded in mystery as it was in 1957, when Philip Morrison wrote a seminal review about CR origin. The potential for discoveries is thus great.

研究动机与目标

• 重新评估主流假设，即超新星遗迹（SNRs）是银河系宇宙射线的主要来源。
• 调和甚高能（VHE）伽马射线数据、宇宙射线各向异性和低能伽马射线辐射与SNR起源模型之间的观测矛盾。
• 论证低能宇宙射线源的空间分布具有约25 ± 10 kpc的银心径向标长，与SNR定位不一致。
• 提出一类新的、独立的天体物理对象——主要位于外银晕——必须是强子型宇宙射线的主要来源。
• 建议同一类源也可能将宇宙射线加速至超高能（>10^19 eV），从而在不同能量尺度上统一宇宙射线起源。

提出的方法

• 分析甚高能伽马射线观测（>100 GeV），检验一种假设：即SNRs中相对论性电子的同步辐射表明存在强子加速。
• 评估宇宙射线各向异性和银河系盘面低能（E < 10 GeV）伽马射线辐射，以推断低能宇宙射线源的空间分布。
• 利用观测到的宇宙射线源径向标长（~25 ± 10 kpc）作为约束条件，排除具有较短标长的SNR模型。
• 将观测到的宇宙射线能谱（包括~4×10^15 eV处的“膝”和~5×10^18 eV处的“踝”）与理论模型比较，推断需存在单一主导源类。
• 综述宇宙射线同位素丰度和VHE伽马射线数据，反对SNR主导论点，主张存在一类具有高加速效率的新源类。
• 提出同一类源可能将粒子加速至超高能（>10^19 eV），与观测谱一致，且无格里森截止迹象。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何SNRs的观测VHE伽马射线发射与相对论性电子的同步辐射暗示强子加速的预期相矛盾？
• RQ2 低能宇宙射线源的真实径向分布是什么？与SNR预期分布相比如何？
• RQ3 为何SNRs中所需的强子加速效率（30%）与VHE伽马射线和宇宙射线各向异性的观测约束不一致？
• RQ4 哪些不同于SNRs的天体物理对象可解释跨多个能量区间的观测宇宙射线谱和源分布？
• RQ5 单一源类能否同时解释银河系宇宙射线谱和超高能宇宙射线的起源？

主要发现

• VHE伽马射线观测表明，SNRs中的加速效率低于1%，远低于解释观测银河系宇宙射线通量所需的30%。
• 宇宙射线各向异性和银河系盘面低能伽马射线辐射表明，源分布的银心径向标长为25 ± 10 kpc，与基于SNR的模型不一致。
• 观测到的宇宙射线谱（包括‘膝’和‘踝’特征）更自然地由单一主导源类解释，而非由多个源拼凑而成。
• 宇宙射线同位素丰度与VHE伽马射线数据共同表明，必须存在一类新的天体物理对象——不同于SNRs且主要位于外银晕——作为强子型宇宙射线的主要来源。
• 同一类源很可能负责将宇宙射线加速至超高能（>10^19 eV），因为观测谱未显示格里森截止的证据。
• 未能探测到具有极端相对论性等离子体的高能超新星遗迹（如与伽马暴相关者）表明，此类事件可能不留下可观测的SNR遗迹，暗示存在替代的遗迹物理机制或源识别方式。