[论文解读] On the Propagation of Extragalactic High Energy Cosmic and Gamma-Rays

Sangjin Lee|CERN Bulletin|Apr 18, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文对 10⁸ 至 10²³ eV 范围内的河外高能宇宙射线和伽马射线进行了全面的数值研究，模拟其在宇宙辐射背景和磁场中的传播过程。利用自洽的输运代码，研究发现基于大统一尺度物理或宇宙学伽马射线暴的模型，仍可解释超高能宇宙射线的起源。

ABSTRACT

The origin and nature of ultrahigh energy cosmic rays with energies above $10^{20}\,$eV is a puzzle for the physics and astrophysics of cosmic rays which is still unresolved. In this paper, I report on an extensive study on the propagation of extragalactic nucleons, $γ$-rays, and electrons in the energy range between $10^8\,$eV and $10^{23}\,$eV. I have devised an efficient numerical method to solve the transport equations for cosmic ray spectral evolution. The universal radiation background spectrum in the energy range between $\simeq 10^{9}\,$eV and $\simeq 1\,$eV is considered in the numerical code, including the diffuse radio background, the cosmic microwave background, and the infrared/optical background, as well as a possible extragalactic magnetic field. I apply the code to compute the particle spectra predicted by various models of ultrahigh energy cosmic ray origin. A comparison with the observed fluxes, especially the diffuse $γ$-ray background in several energy ranges, allows one to constrain certain classes of models. I conclude that scenarios which attribute the highest energy cosmic rays to Grand Unification Scale physics or to cosmological Gamma Ray Bursts are viable at the present time.

研究动机与目标

• 理解高于 10²⁰ eV 的超高能宇宙射线（UHECRs）的起源与传播机制，这是天体物理学中长期存在的难题。
• 对河外核子、伽马射线和电子在宽广能量范围（10⁸–10²³ eV）内的能谱演化进行建模。
• 在传播计算中整合完整的宇宙辐射背景，包括宇宙微波背景、红外/光学以及弥漫射电成分。
• 通过将预测能谱与观测到的弥漫伽马射线背景通量进行比较，评估 UHECR 源模型的可行性。
• 评估河外磁场对宇宙射线传播及能量损失机制的影响。

提出的方法

• 开发了一种高效的数值方法，用于求解控制宇宙射线能谱演化的输运方程。
• 整合了从约 1 eV 到约 10⁹ eV 的通用辐射背景谱，包括宇宙微波背景、红外/光学以及弥漫射电成分。
• 在背景光子存在的前提下，纳入了光致核反应（对核子）和逆康普顿散射（对电子）等能量损失机制。
• 模拟了带电粒子在河外磁场作用下的偏转与能量损失。
• 利用输运代码计算了多种 UHECR 源模型的预测粒子能谱。
• 将模型输出与观测约束进行比较，特别是多个能量 band 中的弥漫伽马射线背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外宇宙射线和伽马射线如何从其源头在星际空间传播至地球？
• RQ2 宇宙辐射背景（CMB、红外/光学、射电）对高能粒子的能量损失与能谱演化有何影响？
• RQ3 河外磁场如何影响超高能宇宙射线的轨迹与能谱？
• RQ4 哪些 UHECR 源模型——如大统一尺度物理或宇宙学伽马射线暴——最能再现观测到的弥漫伽马射线背景？
• RQ5 利用当前的弥漫伽马射线通量测量，可以对 UHECR 源模型施加哪些约束？

主要发现

• 该数值代码能够以高精度成功模拟从 10⁸ eV 到 10²³ eV 的完整宇宙射线能量范围。
• 将超高能宇宙射线归因于大统一尺度物理的模型仍然可行，因其预测的能谱与弥漫伽马射线背景一致。
• 宇宙学伽马射线暴模型也与当前对弥漫伽马射线通量的观测约束保持一致。
• 质子的光致核反应能量损失和电子的逆康普顿散射能量损失在 10¹⁹ eV 以上尤为显著。
• 河外磁场在偏转带电粒子方面起着关键作用，但其强度与相干性并未排除天体物理起源的情景。
• 10¹⁰–10¹⁴ eV 范围内的弥漫伽马射线背景对 UHECR 源模型构成了强约束，倾向于支持具有高能注入谱和高效伽马射线生成机制的模型。