[论文解读] Propagation of Light Elements in the Galaxy

I. V. Moskalenko, A. W. Strong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 3

一句话总结

本研究使用GALPROP数值代码，通过宇宙射线在星际介质中的散裂反应，模拟银河系中轻同位素（H、He、Li、Be、B）的传播。比较了传统的再加速模型与包含本地气泡局部成分的新模型。主要发现是，包含本地成分的模型能更好地拟合低能B/C比和反质子数据，且需要约2倍于太阳值的本地He-4丰度以匹配观测结果，表明在弱激波中加速前物质已被稀释。

ABSTRACT

The origin and evolution of isotopes of the lightest elements H2, He3, Li, Be, B in the universe is a key problem in such fields as astrophysics of CR, Galactic evolution, non-thermal nucleosynthesis, and cosmological studies. One of the major sources of these species is spallation by CR nuclei in the interstellar medium. On the other hand, it is the B/C ratio in CR and Be10 abundance which are used to fix the propagation parameters and thus the spallation rate. We study the production and Galactic propagation of isotopes of elements Z<6 using the numerical propagation code GALPROP and updated production cross sections.

研究动机与目标

• 使用更新的散裂截面，研究银河系中轻同位素（H、He、Li、Be、B）的起源与传播。
• 检验传统的再加速模型与包含本地气泡成分的模型，哪一种更能解释宇宙射线数据。
• 利用B/C比和反质子通量（尤其在低能和高能区）约束传播参数。
• 评估轻元素的同位素组成及其对银河系宇宙射线起源与化学演化的影响。
• 评估He-4在H-2和He-3生成中的作用，以及源丰度变化对模型拟合的影响。

提出的方法

• 使用GALPROP 2D数值传播代码，在具有4 kpc晕层的银河系盘中模拟宇宙射线输运。
• 对核子采用修改的幂律注入谱，对本地气泡成分采用幂律谱加指数截断。
• 基于实验数据，对产生H-2、He-3、4、Li、Be、B的p+He、C、N、O反应采用自拟合截面。
• 通过力场近似处理日球层调制，取Φ = 500 MV。
• 以B/C比和高能数据（ACE、HEAO-3）校准模型A（传统模型），而模型B则引入本地成分，并通过低能B/C和反质子通量进行调优。
• 在He-4注入谱中引入14 GV（模型A）和10 GV（模型B）的能量谱折点，以更好地匹配He谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统的再加速模型能否同时拟合低能和高能区的B/C比与反质子通量？
• RQ2 引入来自本地气泡的本地成分是否能改善对低能B/C和反质子数据的拟合？
• RQ3 为重现He-3/He-4比和He谱，本地气泡中所需的He-4丰度是多少？
• RQ4 源丰度变化（尤其是He/Si）如何影响次级轻同位素的产生？
• RQ5 Li、Be和B的同位素比值对银河系宇宙射线的起源与加速历史有何启示？

主要发现

• H-2/He-4比值实测值约为预测值的1.8倍，尽管系统误差仍在研究中。
• 两种模型均在较大误差范围内再现了Li、Be和B的同位素比值，但He-3/He-4比值更敏感，模型B需要约2倍于太阳值的本地He-4丰度。
• 模型B要求本地He-4丰度为220（相对于Si），远低于太阳值2400，表明加速前物质已显著稀释。
• 模型B中更高的He-4丰度支持低能宇宙射线起源于弱激波加速星际介质物质的假设。
• 该模型表明，低能质子和氦谱可能比以往认为的更平坦，对弥散银河系γ射线发射具有影响。
• 数据支持高能宇宙射线起源于新鲜超新星抛射物（He丰度较低），而低能粒子则来自预先稀释的星际物质。