[论文解读] The High Energy Cosmic Ray Electron Spectrum measured by Fermi Gamma-Ray Space Telescope: some possible interpretations

Giuseppe Di Bernardo, Daniele Gaggero+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，费米-LAT在7 GeV至1 TeV能量范围内测量的高能宇宙射线电子（CRE）能谱，最合理的解释是双组分模型：一个传统的银河系电子组分，以及来自脉冲星的额外原初电子-正电子组分。脉冲星起源模型成功再现了费米-LAT的电子能谱、H.E.S.S.的高能能谱硬化，以及帕梅拉（PAMELA）观测到的正电子分数上升，为观测到的异常现象提供了自然的天体物理解释。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope (LAT) has provided the measurement of the high energy cosmic ray electrons plus positrons (CRE) spectrum with unprecedented accuracy form 20 GeV to 1 TeV. Recently this range has been extended down to ~ 7 GeV. The spectrum shows no prominent features and it is significantly harder than that inferred from several previous experiments. While the reported Fermi-LAT data alone may be interpreted in terms of a single (electron dominated) Galactic component, when combined with other complementary experimental results, specifically the CRE spectrum measured by H.E.S.S., and especially the positron fraction measured by PAMELA, an additional electron and positron component seems to be required. We show that the acceleration of electron-positron pairs in Galactic pulsars may offer a natural (though not unique) interpretation of all those results.

研究动机与目标

• 解释从7 GeV到1 TeV的高精度费米-LAT CRE能谱，包括新的低能数据。
• 解决费米-LAT电子能谱偏硬与帕梅拉（PAMELA）测量的正电子分数上升之间的矛盾。
• 检验脉冲星起源的电子-正电子组分是否能同时解释费米-LAT、H.E.S.S.和帕梅拉的数据。
• 评估双组分模型（传统银河系电子加上原初脉冲星电子）与观测约束的一致性。
• 评估脉冲星驱动的粒子加速是否能解释观测到的谱特征，而无需引入奇异源。

提出的方法

• 使用GALPROP代码对CRE能谱进行建模，通过扩散-损失方程模拟银河系宇宙射线传播。
• 采用类似柯尔莫哥洛夫的扩散系数，谱指数δ = 0.33，并变化电子注入谱指数γ₀。
• 通过自转降能光度引入来自脉冲星的二次电子-正电子组分，参数可调：E_cut（能量截止）、η_e±（对产生效率）、Δt（延迟时间）和Γ（谱指数）。
• 利用ATNF脉冲星星表，在3 kpc范围内模拟单个脉冲星的谱，参数在物理合理范围内随机化。
• 通过力场近似（Φ = 0.45 GV 或 550 MV）比较总脉冲星贡献与费米-LAT、H.E.S.S.和帕梅拉数据。
• 测试δ ≈ 0.5（类似克赖奇南的）和γ₀ ≈ -2.6的参数组合，以改善与帕梅拉和费米-LAT低能数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个标准传播的银河系电子组分能否解释完整的费米-LAT CRE能谱以及帕梅拉的正电子分数？
• RQ2 在保持与低能数据一致的前提下，为拟合费米-LAT数据（>20 GeV）所需的谱指数和扩散模型为何？
• RQ3 脉冲星驱动的电子-正电子注入在多大程度上能解释费米-LAT能谱中约70 GeV处的硬化和500 GeV以上的能谱变陡？
• RQ4 脉冲星起源组分能否同时解释帕梅拉观测到的正电子分数上升和H.E.S.S.观测到的高能行为？
• RQ5 结果对脉冲星参数（如E_cut、η_e±、Δt和Γ）的变化有多敏感？哪些参数组合能最好地拟合多仪器数据？

主要发现

• 费米-LAT从7 GeV到1 TeV的CRE能谱符合谱指数为γ = -3.08的幂律，约70 GeV处有硬化迹象，500 GeV以上出现变陡。
• 仅使用δ = 0.33和γ₀ = -2.42/2.5的单组分银河系模型无法再现低能费米-LAT和AMS-01数据，且高估了帕梅拉测量的正电子分数。
• 引入脉冲星原初电子-正电子组分的双组分模型，能显著更好地拟合费米-LAT、H.E.S.S.和帕梅拉的数据。
• 参数范围为1 < E_cut < 1.8 TeV，10 < η_e± < 40%，5 < Δt/10⁴ yr < 10，且1.5 < Γ < 2.0的脉冲星模型，可再现观测到的CRE能谱和正电子分数。
• 引入脉冲星起源组分，解决了费米-LAT能谱偏硬与帕梅拉正电子分数上升之间的矛盾，而标准模型无法解释这一矛盾。
• 采用δ ≈ 0.5（类似克赖奇南扩散）和γ₀ ≈ -2.6的模型，相比δ = 0.33，能更好地拟合完整数据集，包括低能帕梅拉数据。