[论文解读] Origin and propagation of the highest energy cosmic rays

R. J. Protheroe|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文研究了超高能宇宙射线（UHECRs）的起源与传播，提出法纳罗夫-莱利II类射电星系中的激波加速可解释观测数据，而无需引入如拓扑缺陷等奇异源。文章分析了与星系际辐射场的相互作用及电子-光子级联，结论认为标准天体物理机制已足够，但需更精确的数据与场强估计以确认。

ABSTRACT

In this lecture I give an overview of shock acceleration, interactions of high energy cosmic rays with, and propagation through, the background radiation, and the resulting electron-photon cascade. I argue that while the origin of the highest energy cosmic rays is still uncertain, it is not necessary to invoke exotic models such as emission by topological defects to explain the existing data. It seems likely that shock acceleration at Fanaroff-Riley Class II radio galaxies can account for the existing data. However, new cosmic ray data, as well as better estimates of the extragalactic radiation fields and magnetic fields will be necessary before we will be certain of the origin of the highest energy particles occurring in nature.

研究动机与目标

• 评估标准天体物理机制是否可在不引入奇异物理的前提下解释超高能宇宙射线（UHECRs）的起源。
• 分析UHECRs通过星系际辐射场的传播及其相互作用。
• 评估电子-光子级联在塑造观测到的UHECR能谱中的作用。
• 确定法纳罗夫-莱利II类射电星系中的激波加速是否是最高能量宇宙射线的可行来源。
• 确定需要改进宇宙射线数据以及对星系际辐射场和磁场更精确的估计，以确认其起源。

提出的方法

• 使用理论建模，研究法纳罗夫-莱利II类射电星系中激波加速过程作为UHECRs的源机制。
• 分析高能宇宙射线与宇宙微波背景及红外背景辐射场的相互作用。
• 模拟由UHECRs在星际介质中相互作用引发的电子-光子级联的发展。
• 应用能量损失与传播计算，追踪宇宙射线从源到地球的演化过程。
• 将预测的能谱与通量与观测数据进行比较，以检验其与标准天体物理源的一致性。
• 评估非奇异模型相对于奇异替代方案（如拓扑缺陷辐射）的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 法纳罗夫-莱利II类射电星系中的激波加速能否解释观测到的超高能宇宙射线通量与能谱？
• RQ2 与星系际辐射场的相互作用如何影响UHECRs的传播与能量损失？
• RQ3 电子-光子级联在多大程度上改变了观测到的UHECR能谱？
• RQ4 当前UHECR数据是否需要引入如拓扑缺陷等奇异源来解释，还是标准天体物理模型已足够？
• RQ5 需要哪些观测数据的改进以及对辐射场/磁场建模的提升，才能确认UHECRs的起源？

主要发现

• 法纳罗夫-莱利II类射电星系中的激波加速为产生最高能量宇宙射线提供了一个可行的天体物理机制。
• 与星系际辐射场的相互作用导致显著的能量损失与级联发展，这些必须在传播模型中予以考虑。
• 由UHECRs引发的电子-光子级联可改变观测到的能谱，但并不需要借助奇异源模型来解释当前数据。
• 目前的UHECR数据并不需要引入如拓扑缺陷等奇异源来解释。
• 改进宇宙射线测量以及对星系际辐射场与磁场更精确的约束，对于明确认定UHECRs的起源至关重要。