[论文解读] Supercluster Magnetic Fields and Anisotropy of Cosmic Rays above 10**(19) eV

Martin Lemoine, G. Sigl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出，银河系局部超星系团内尺度为0.05至0.5 µG的大尺度磁场可解释能量高于10¹⁹ eV的超高能宇宙射线（UHECRs）的观测各向异性和聚集现象。通过模拟宇宙射线在这些结构化磁场中的传播，作者表明，约0.5 µG的磁场强度最能复现当前的观测特征，为下一代实验提供了可检验的预测。

ABSTRACT

We predict energy spectra and angular distributions of nucleons above 10**(19) eV that originate from sources distributed in the Local Supercluster, which is also supposed to contain a large scale magnetic field of strength between 0.05 and 0.5 micro Gauss. We show that this model can explain all present-day features of ultra-high energy cosmic rays, at least for field strengths close to 0.5 micro Gauss. The large-scale anisotropy and the clustering predicted by this scenario will allow strong discrimination against other models with next generation experiments.

研究动机与目标

• 解释能量高于10¹⁹ eV的超高能宇宙射线（UHECRs）的观测各向异性和能谱特征。
• 研究银河系局部超星系团中的大尺度磁场是否可解释UHECR到达方向观测到的聚集与方向性模式。
• 确定最符合当前UHECR数据的超星系团内所需磁场强度。
• 为区分此模型与其它UHECR起源情景提供可检验的预测。
• 评估利用下一代宇宙射线探测器区分此模型与其他UHECR各向异性解释的可行性。

提出的方法

• 模拟来自局部超星系团内各处源的核子（质子和原子核）的传播。
• 在局部超星系团内施加大尺度磁场结构，磁场强度范围为0.05至0.5 µG。
• 使用蒙特卡洛方法追踪宇宙射线在非均匀磁场环境中的轨迹。
• 计算在地球上观测到的宇宙射线的能量谱和角分布。
• 将模拟得到的角分布与地面UHECR探测器的观测数据进行比较。
• 在不同磁场强度下评估模型性能，重点关注与观测到的各向异性的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部超星系团中的大尺度磁场能否解释能量高于10¹⁹ eV的UHECR到达方向的观测各向异性？
• RQ2 超星系团内何种磁场强度最能复现UHECR的观测能谱与角分布？
• RQ3 局部超星系团内宇宙射线源的空间分布如何影响预测的各向异性和聚集特征？
• RQ4 该模型能否在角功率谱或聚集模式中产生独特特征，从而与各向同性或其它非均匀源模型相区别？
• RQ5 未来实验在多大程度上可区分该模型与其他UHECR各向异性解释？

主要发现

• 局部超星系团内约0.5 µG的大尺度磁场与当前UHECR观测结果（包括能谱与角分布）最为吻合。
• 该模型成功复现了能量高于10¹⁹ eV的宇宙射线到达方向的观测大尺度各向异性。
• 预测的宇宙射线事件聚集模式与超星系团内源的空间分布及磁场偏转效应一致。
• 该模型预测了独特的角聚集模式，未来新一代UHECR探测器有望分辨该特征。
• 0.5 µG磁场强度的场景产生了与观测各向异性幅度和尺度相匹配的方向调制。
• 该模型为区分各向同性或随机分布源模型提供了清晰判据，可实现未来实验验证。