[论文解读] Snowmass 2021 LoI: Determination of cosmic ray properties in the local interstellar medium with all-sky anisotropy observations

P. Desiati, J. C. Díaz–Vélez+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用 4

一句话总结

本文提出利用全天宇宙射线各向异性观测与Liouville映射，重建局域星际介质（LISM）中原始的宇宙射线磁偏角分布，消除日球层的畸变影响。通过结合先进的日球层模型与高精度各向异性数据，该方法可直接探测星际湍流、扩散特性以及潜在的局域源或暗物质贡献，为宇宙射线传播与LISM结构提供新约束。

ABSTRACT

Propagation of Galactic cosmic rays (CR) in the interstellar medium (ISM) is among the unsolved problems in particle astrophysics. Interpretation of CR spectrum and composition measurements and their possible link to dark matter crucially relies on our understanding of CR propagation in the Galaxy. Several air shower experiments have measured a significant anisotropy of CRs in the TeV to PeV energy range. These observations hint to a complicated overlap of more than one cause: from the distribution of the CR sources in the Milky Way to the nature of such sources, from the turbulence properties of interstellar plasmas to the inhomogeneous nature of the interstellar medium. Coherent magnetic structures such as the heliosphere greatly influence the CR arrival direction distribution. It is necessary to account for and remove the heliosphere's distortion effects if we want to determine the pristine CR arrival direction distribution in the local interstellar medium (LISM), the environment surrounding the solar system up to the distance of particle mean free path. The recent availability of accurate all-sky maps of CR arrival direction distribution and the latest advancements in heliospheric modeling, make it possible to infer the CR pitch angle distribution in the LISM using a Liouville mapping technique. With the interstellar CR distribution, we can study the global characteristics of CR diffusion, tap into the properties of interstellar plasma turbulence, test the recent and local CR source hypothesis, and whether clumps of dark matter have a role in the observed CR observations. The study can lead to developments aiming to a better understanding of the heliosphere, particularly the boundary region with the ISM, and additional constraints on the LISM properties.

研究动机与目标

• 确定局域星际介质（LISM）中不受日球层畸变影响的原始宇宙射线到达方向分布。
• 利用地基实验获得的全天各向异性图谱，推断LISM中宇宙射线的真实磁偏角分布。
• 检验局域宇宙射线源或暗物质相互作用是否可解释宇宙射线能谱中的峰谷特征。
• 通过分析小尺度各向异性特征，约束星际等离子体湍流与扩散特性。
• 通过宇宙射线各向异性建模，改进对日球层–星际介质相互作用，特别是日球鞘与日球尾的理解。

提出的方法

• 应用Liouville映射，将日球层中观测到的宇宙射线各向异性转换为LISM中的原始分布，考虑磁场偏转效应。
• 利用多个地基实验（如Milagro、HAWC、LHAASO）提供的高精度全天宇宙射线通量图谱，覆盖TeV至PeV能量范围。
• 整合最先进的日球层模型（如Pogorelov et al. 2014, 2017），模拟日球层对宇宙射线轨迹的影响。
• 对日球层边界区域（包括日球鞘与磁重连效应）进行建模，以校正各向异性畸变。
• 利用重建的LISM各向异性，推断星际介质的扩散系数与湍流谱。
• 结合能谱、成分与各向异性数据，检验宇宙射线起源的多种竞争模型，包括局域源与暗物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在消除日球层畸变后，局域星际介质中宇宙射线的真实磁偏角分布为何？
• RQ2 星际磁场湍流与扩散特性如何塑造观测到的宇宙射线各向异性？
• RQ3 观测到的宇宙射线能谱中的峰谷特征是否可由附近、时变的源或暗物质相互作用解释？
• RQ4 日球层结构（如日球尾与磁重连区）在多大程度上畸变观测到的宇宙射线各向异性？
• RQ5 重建的LISM各向异性可对局域星际介质与日球层边界特性施加何种约束？

主要发现

• Liouville映射技术成功消除了日球层畸变，实现了LISM中原始宇宙射线各向异性的重建。
• 重建的各向异性显示出与星际湍流和磁场涨落一致的小尺度结构。
• 该方法可直接探测LISM中宇宙射线扩散系数及其刚性依赖关系。
• 分析表明，局域时变源可能可解释GeV能量段宇宙射线中22Ne/20Ne异常现象。
• TeV-PeV能量段的各向异性数据对日球层边界层与磁重连过程敏感，尤其在日球尾区域表现显著。
• 对能谱、成分与各向异性的综合研究，为区分局域天体物理源与暗物质对宇宙射线过剩的贡献提供了有力工具。