[论文解读] The energy production rate density of cosmic rays in the local universe is $\sim10^{44-45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ at all particle energies

Boaz Katz, Eli Waxman+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 14

一句话总结

本文提出，从GeV到EeV的所有观测能量范围内的宇宙射线，均由一个单一的、普遍的源群体产生，其能量产生谱平坦，约为10⁴⁴–⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹，且与粒子能量无关。作者通过低能（银河系和星暴星系）、中能（IceCube中微子过量）和超高能宇宙射线（UHECR）数据的一致性推导出这一结论，表明存在一种普遍的加速机制，而非像超新星遗迹这样的独立源。

ABSTRACT

The energy output (per logarithmic interval of particle energies) of Cosmic Rays (CRs) with energies $10{ m GeV}\lesssim\varepsilon_p\lesssim100{ m GeV}$ is $\sim 10^{47} m erg$ per solar mass of star$-$formation, based on the CR production rate in the Milky Way and in starburst galaxies, implying a generation rate of $\varepsilon_p^2Q\sim 10^{45} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$ in the local universe. It is only $\sim 10$ times larger than the output, $\varepsilon_p^2 Q=0.5\pm0.2 imes 10^{44} m erg~Mpc^{-3}~yr^{-1}$, of Ultra High Energy CRs (UHECRs) at energies $10^{10.5}{ m GeV}

研究动机与目标

• 确定本地宇宙中所有观测能量范围内宇宙射线（CRs）的能量产生率密度。
• 将低能、中能和超高能宇宙射线的观测通量统一解释为单一、普遍的宇宙射线产生机制。
• 检验在10个数量级的能量范围内能量产生率的一致性是否与平坦产生谱ε²Q ≈ const相符。
• 通过证明超新星遗迹的能量输出不足以解释所有能量范围的观测宇宙射线通量，挑战传统观点，即超新星遗迹是主要宇宙射线源。
• 探讨普遍宇宙射线产生谱对瞬变天体物理源及银河系内宇宙射线传播的影响。

提出的方法

• 利用银河系和星暴星系数据的恒星形成率（SFR）标度，估算低能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁰–10¹¹ eV），得出εₚ²Q ~ 10⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹。
• 从IceCube中微子过量推导中能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁷ eV），假设这些中微子源自UHECR的π介子衰变，得出εₚ²Q ≥ 0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹。
• 基于观测通量估算超高能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV），假设为质子成分，并考虑CMB相互作用和能量损失。
• 比较三种估算结果，检验其在能量范围内是否与平坦产生谱εₚ²Q ≈ const一致。
• 评估此类谱对银河系内宇宙射线约束的影响，包括为调和观测通量与预测能量密度而需引入瞬变源的必要性。
• 利用Waxman-Bahcall界限和传播模型，约束源的特性，包括事件率和每次事件的能量输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 本地宇宙中宇宙射线的能量产生率密度是否在所有粒子能量范围内近似恒定，如数据所示？
• RQ2 低能、中能和超高能宇宙射线的观测通量能否由一个具有平坦能量产生谱的单一、普遍源群体统一解释？
• RQ3 平坦产生谱对宇宙射线源的性质和寿命有何影响，特别是在考虑宇宙射线约束与传播效应的背景下？
• RQ4 为何当前对宇宙射线产生率的估算与早期研究中提出的较软谱型不同？先前研究中的主要误差来源是什么？
• RQ5 观测到的宇宙射线和中微子通量对瞬变宇宙射线源的能量输出和发生率设定了哪些约束？

主要发现

• 本地宇宙中宇宙射线的能量产生率密度在所有粒子能量范围内约为10⁴⁴–⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹，表明产生谱平坦，即εₚ²Q ≈ const。
• 基于银河系和星暴星系的SFR标度，低能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁰ eV）估算为~10⁴⁵ erg Mpc⁻³ yr⁻¹。
• 从IceCube中微子过量推导出的中能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁷ eV）为≥0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹，与低能估算结果在约10倍范围内一致。
• 在假设为质子成分的前提下，超高能宇宙射线产生率（εₚ ~ 10¹⁹–10²⁰ eV）约为0.5×10⁴⁴ erg Mpc⁻³ yr⁻¹，与中微子过量的下限一致。
• 这三项估算结果的一致性支持了在10个数量级能量范围内存在普遍且平坦的能量产生谱，挑战了不同能量范围由不同源（如超新星）主导的传统观点。
• 观测到的宇宙射线通量在‘膝’能区（~5×10¹⁵ eV）以上被抑制，并非由于加速极限，而是由于银河系内的传播效应，这意味着本征源谱是平坦的。