[论文解读] Sky-maps of the sidereal anisotropy of galactic cosmic ray intensity and its energy dependence

K. Munakata, Naoki Matsumoto+7 more|ArXiv.org|Nov 4, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用日本和澳大利亚的地下μ子探测器组成的两极网络（THN）在1985–2006年和1993–2005年间的观测数据，绘制了银河宇宙射线强度的恒星各向异性天图。结果表明，尽管初级宇宙射线能量相差十倍（0.5 TeV 与 5 TeV），该各向异性模式与西藏III号实验数据一致，并显示各向异性振幅受太阳调制影响而减小，且刚度依赖性从亚TeV能区平滑延伸至多TeV能区。

ABSTRACT

We analyze the sidereal daily variations observed between 1985 and 2006 at Matsushiro, Japan (MAT) and between 1993 and 2005 at Liapootah, Tasmania (LPT). These stations comprise the two hemisphere network (THN) of underground muon detectors in Japan and Australia. Yearly mean harmonic vectors at MAT and LPT are more or less stable without any significant change in phase and amplitude in correlation with either the solar activity- or magnetic-cycles. In this paper, therefore, we analyze the average anisotropy over the entire observation periods, i.e. 1985-2006 for MAT and 1993-2005 for LPT. We apply to the THN data a best-fitting analysis based on a model anisotropy in space identical to that adopted by Amenomori et al. (2007) for Tibet III data. The median energies of primary cosmic rays recorded are ~0.5 TeV for THN and ~5 TeV for the Tibet III experiment. It is shown that the intensity distribution of the best-fit anisotropy is quite similar to that derived from Tibet III data, regardless of the order of magnitude difference in energies of primary particles. This, together with the THN observations, confirms that the analysis by Amenomori et al. (2007) based on the Tibet III experiment in the northern hemisphere is not seriously biased. The best-fit amplitudes of the anisotropy, on the other hand, are only one third or less of those reported by the Tibet III experiment, indicating attenuation due to solar modulation. The rigidity dependence of the anisotropy amplitude in the sub-TeV region is consistent with the spectrum reported by Hall et al. (1999), smoothly extending to the Tibet III result in the multi-TeV region. The amplitude at higher energies appears almost constant or gradually decreasing with increasing rigidity.

研究动机与目标

• 利用日本和澳大利亚地下μ子探测器的数据，分析银河宇宙射线强度的长期恒星各向异性。
• 评估各向异性相位和振幅在太阳和地磁周期中的稳定性。
• 在不同能量区间内，比较两极网络（THN）与西藏III号实验的各向异性模式和振幅。
• 研究各向异性振幅的能量（刚度）依赖性，并评估其与先前测量结果的一致性。

提出的方法

• 对松本（MAT）和利亚普陶（LPT）站点每年平均日变化的宇宙射线强度进行谐波分析。
• 将与阿米诺莫里等人（2007）在西藏III号数据中使用的模型各向异性应用于THN观测。
• 采用假设天空中强度呈偶极型分布的空间模型，对各向异性进行最佳拟合分析。
• 通过比较THN（中值能量约0.5 TeV）与西藏III号（约5 TeV）的各向异性振幅和方向，评估能量依赖性。
• 通过与霍尔等人（1999）在亚TeV能区的结果对比，评估刚度依赖性，并将其外推至多TeV能区。
• 通过比较THN与西藏III号的绝对振幅，评估太阳调制效应的影响，考虑到THN的能量阈值较低。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同能量范围内，银河宇宙射线的恒星各向异性模式在北半球与南半球是否一致？
• RQ2 各向异性振幅如何随宇宙射线刚度变化？这种变化是否从亚TeV能区平滑延续至多TeV能区？
• RQ3 与THN和西藏III号的比较表明，观测到的各向异性振幅在多大程度上受到太阳调制的影响？
• RQ4 各向异性相位和振幅在太阳和地磁周期内的长期稳定性，是否支持谐波拟合方法的可靠性？
• RQ5 基于与西藏III号结果的一致性，能否可靠地将低能THN数据推导出的各向异性模式外推至更高能量？

主要发现

• THN数据的最佳拟合各向异性天图显示的空间模式与西藏III号实验结果几乎完全一致，尽管初级宇宙射线的中值能量相差十倍（约0.5 TeV 与 约5 TeV）。
• THN观测到的各向异性振幅仅为西藏III号报告值的三分之一或更小，表明显著受到太阳调制效应的抑制。
• 在亚TeV能区，各向异性振幅的刚度依赖性与霍尔等人（1999）的结果一致，并平滑延伸至西藏III号观测到的多TeV区域。
• 在更高能量区域，各向异性振幅几乎保持不变或随刚度缓慢减小，表明在多TeV能区刚度依赖性微弱或呈平坦趋势。
• 在观测期（1985–2006年和1993–2005年）内，各向异性相位和振幅保持稳定，证实太阳活动或地磁周期引起的长期变化未显著影响结果。
• THN与西藏III号在截然不同的能量阈值下结果的一致性，验证了各向异性分析的稳健性，并排除了西藏III号结果中存在重大系统偏差的可能性。