[论文解读] The problem of small angular scale structure in the cosmic ray anisotropy data

L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 16

一句话总结

本文提出，此前无法解释的TeV宇宙射线数据中的小尺度角度各向异性，可能源于太阳风在星际磁场中运动时，在日球层外区（特别是日尾）感应出的电场。这些电场源于磁场在随离子体运动的参考系中的洛伦兹变换，可在粒子轨迹上引起约100 MV至1 GV的能量偏移，从而在不依赖复杂粒子物理理论（仅需标准电动力学）的前提下，产生观测到的10⁻⁴量级各向异性信号。

ABSTRACT

Recent observations have revealed structure on small angular scales in the anisotropy data of cosmic rays at multi TeV energies. Even though the absolute amplitudes are very small, these effects are somewhat surprising and a wide range of possible causes have been discussed. A possible origin associated with heliospheric electric fields is proposed.

研究动机与目标

• 解释标准扩散或磁镜散射模型无法解释的TeV宇宙射线各向异性数据中令人困惑的小尺度角度结构。
• 研究日球层中低能电场效应是否可通过粒子轨迹上的能量偏移，在TeV能量下产生可测量的各向异性信号。
• 提供一种基于相对论电动力学的、与参考系相关的物理解释机制，说明为何各向异性幅度较低且与日尾方向相关。
• 提出一种可检验的替代方案，替代涉及奇异滴或磁重连的推测性模型，基于已知的等离子体物理。

提出的方法

• 利用电磁场的相对论变换，表明运动的电浆（太阳风）在地球静止参考系中产生有效电场 E = -V × B。
• 将感应电场沿宇宙射线穿过日球层的轨迹进行线积分：ΔE ≈ ∫(-V × B) · ds，得出约100 MV至1 GV的势能偏移。
• 假设来自某一方向的粒子在日球层中经历几乎相同的轨迹，从而在能量带内保持各向异性信号的完整性。
• 通过估算特征尺度（约100 AU）和场强（1 nT），推导出与观测到的各向异性幅度（约10⁻⁴）一致的数量级势能偏移。
• 提出，若日尾中电场结构存在空间非均匀性，则可形成复杂且非旋转对称的结构。
• 提出可检验的预测：电子各向异性应与质子各向异性反相关（质子热点对应电子数据中的冷点）。

实验结果

研究问题

• RQ1 由太阳风在星际磁场中运动所激发的日球层电场，能否在TeV宇宙射线数据中产生小尺度各向异性？
• RQ2 观测到的10⁻⁴量级各向异性幅度是否与约100 MV至1 GV量级的电势能偏移一致？
• RQ3 为何各向异性结构与日尾相关？这能否通过参考系依赖的电磁效应加以解释？
• RQ4 该机制是否能自然产生多个、非对称的热点，而无需依赖复杂的粒子加速或散射模型？

主要发现

• 由太阳风在星际磁场中运动所激发的日球层感应电场，可在宇宙射线轨迹上引起约100 MV至1 GV的能量偏移。
• 这些能量偏移足以在TeV能量宇宙射线通量中产生与观测值约10⁻⁴量级一致的各向异性信号。
• 该机制可解释为何各向异性方向与日尾相关，因为电场结构预计集中于该区域。
• 该模型预测质子与电子之间存在反相各向异性：质子热点应对应电子数据中的冷点。
• 该效应对TeV宇宙射线具有鲁棒性，因为其回旋半径足够大，可避免在一个回旋周期内能量偏移相互抵消，从而保持净能量偏移。
• 该模型提供了一种简单、物理上合理的解释，与涉及奇异滴或异常散射的推测性模型截然不同。