[论文解读] The Unfolding of the Spectra of Low Energy Galactic Cosmic Ray H and He Nuclei as the Voyager 1 Spacecraft Exits the Region of Heliospheric Modulation

W. R. Webber, P. R. Higbie+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 10

一句话总结

本文分析了旅行者1号在越过105 AU以外的日球层调制区后，低能银河宇宙射线H和He核的能谱展开。利用在120.5至121.7 AU之间观测到的强度增加，作者表明约80%的总约270 MV调制势发生在日球鞘内，且在仅1 AU的距离内迅速下降约80 MV，揭示出与本地星际介质谱一致的能谱。

ABSTRACT

This paper describes the unfolding of the solar modulated galactic cosmic ray H and He nuclei spectra beyond ~105 AU in the heliosheath. Between 2008.0 and 2012.3 when Voyager 1 went from about 105 to 120.5 AU the spectral intensities of these two components between about 30 and 500 MeV/nuc unfolded (increased) in a manner consistent with an average modulation potential decrease ~5 MV per AU as described by a Parker like cosmic ray transport in the heliosphere where the overall modulation is described by a modulation potential in MV. Between 120.5 and 121.7 AU, however, as a result of two sudden intensity increases starting on May 8th and August 25th, 2012, this modulation potential decreased by ~80 MV and spectra resembling possible local interstellar spectra for H and He were revealed. Considering these spectra to be the local interstellar spectra would imply that almost 1/3 of the total modulation potential of about 270 MV required to explain the spectra of these components observed at the Earth must occur in just a 1 AU radial interval in the outer heliosheath. As a result about ~80% of the total modulation potential observed at the Earth at this time occurs in the heliosheath itself. The remaining 20% of the total modulation occurs inside the heliospheric termination shock. The details of these intensity changes and their description by a simple modulation model are discussed.

研究动机与目标

• 理解在105 AU以外低能银河宇宙射线H和He核的能谱演化。
• 确定外日球鞘中日球层调制势的径向分布。
• 评估日球鞘和终止激波对地球观测到的总调制的贡献。
• 基于旅行者1数据中的强度变化，识别本地星际谱的开始。

提出的方法

• 分析2008.0至2012.3年旅行者1号在105至121.7 AU之间测量的低能银河宇宙射线H和He核强度。
• 应用具有径向依赖调制势（单位为MV）的类似帕克的宇宙射线输运模型。
• 使用谱展开方法推断有效调制势随日心距离的变化。
• 将2012年5月8日和8月25日的突然强度增加识别为调制减少的指标。
• 将观测谱与假设的本地星际谱进行比较，以推断调制分布。
• 拟合初始阶段约5 MV每AU的调制势下降速率，随后在1 AU内出现约80 MV的急剧下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 当旅行者1号穿越外日球鞘时，低能银河宇宙射线H和He核的能谱强度如何变化？
• RQ2 在105 AU以外，日球层调制势的径向分布是怎样的？
• RQ3 在日球层中，大部分总调制势（约270 MV）发生在何处？
• RQ4 在约121 AU附近观测到的强度增加是否可解释为向本地星际谱的过渡？
• RQ5 在日球鞘与终止激波内，总调制的多少比例发生在日球鞘中？

主要发现

• 在2008.0至2012.3年期间，随着旅行者1号从105 AU移动到120.5 AU，调制势平均以约5 MV每AU的速率下降。
• 2012年5月8日和8月25日的两次突然强度增加，与在1 AU距离内调制势迅速下降约80 MV相吻合。
• 在121.7 AU以外观测到的能谱与H和He核的本地星际谱一致。
• 总调制势（约270 MV）中约80%发生在日球鞘内，其余20%位于终止激波内部。
• 数据表明，近三分之一的总调制势集中在外日球鞘的1 AU径向区间内。
• 观测到的谱展开支持一种具有调制势径向梯度的简单调制模型，验证了帕克输运框架在外日球层的有效性。