[论文解读] Three dimensional modeling of CR propagation

Daniele Gaggero, Luca Maccione+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文对DRAGON代码进行了重大升级，首次引入了银河系中宇宙射线（CR）传播的全3D各向异性扩散建模，考虑了相对于规则磁场方向的平行与垂直扩散系数在位置和刚度上的依赖性。该研究首次表明，太阳位于旋臂之间的区域，加之能量损失增强，可自然导致电子能谱变陡，从而在初级注入谱指数为2.38（与激波加速理论一致）的前提下，实现对AMS-02和PAMELA数据的一致拟合。

ABSTRACT

We present here a major upgrade of DRAGON, a numerical package that computes the propagation of a wide set of CR species from both astrophysical and exotic origin in the Galaxy in a wide energy range from tens of MeV to tens of TeV. DRAGON takes into account all relevant processes in particular diffusion, convection, reacceleration, fragmentation and energy losses. For the first time, we present a full 3D version of DRAGON with anisotropic position-dependent diffusion. In this version, the propagation is calculated within a 3D cartesian grid and the user is able to implement realistic and structured three dimensional source, gas and regular magnetic field distributions. Moreover, it is possible to specify an arbitrary function of position and rigidity for the diffusion coefficients in the parallel and perpendicular direction to the regular magnetic field of the Galaxy. The code opens many new possibilities in the study of CR physics. In particular, we can study for the first time the impact of the spiral arm structure on the leptonic spectra: taking into account the fact that we live in an interarm region, far from most sources, we obtain - due to increased energy losses - a steeper electron spectrum compared to the assumption of a smooth source term. We discuss the implications of these results on our understanding on leptonic spectra and we briefly mention future studies that can be performed with our new 3D code.

研究动机与目标

• 开发一种考虑真实银河系结构和各向异性扩散的3D各向异性宇宙射线传播模型。
• 解决以往模型假设各向同性扩散和平滑源分布所带来的局限性。
• 研究太阳位于旋臂间区域如何因能量损失增强而影响电子与正电子谱。
• 在物理上合理注入谱的前提下，重现AMS-02和PAMELA的高精度电子与正电子数据。
• 为未来研究局域各向异性扩散及其对日球层和局域星际介质中CR输运的影响奠定基础。

提出的方法

• 该代码在笛卡尔坐标系中求解3D宇宙射线输运方程，其中扩散系数在平行与垂直于银河系磁场方向上均具有位置和刚度依赖性。
• 该模型允许CR源、星际气体和规则磁场的任意3D分布，从而能够真实模拟旋臂和局域结构。
• 扩散张量由 $ D_{\parallel} $、$ D_{\bot} $ 和磁场单位矢量构成，具有可分的空间与能量依赖性。
• 代码采用算子分裂与有限差分法，数值求解包含源项、对流、再加速、能量损失和碎片化的输运方程。
• 通过HelioProp代码引入太阳调制效应，考虑电荷依赖的漂移及随时间变化的太阳系参数。
• 利用纯平行与垂直扩散的格林函数对模型进行测试，验证了数值精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳位于旋臂间区域，因能量损失增强，如何影响电子谱的预测？
• RQ2 当正确建模3D源结构和能量损失时，是否能用单一初级电子注入谱（$ \gamma_0 = 2.38 $）与AMS-02和PAMELA数据保持一致？
• RQ3 各向异性扩散在局域银河系环境中对高能宇宙射线电子谱的形成起何作用？
• RQ4 在考虑真实3D源分布的前提下，是否无需引入主导的硬谱额外组分，即可解释观测到的正电子分数上升？
• RQ5 局域结构（如本地泡和旋臂密度增强区）如何影响高能轻子的传播？

主要发现

• 该模型以初级电子注入谱指数 $ \gamma_0 = 2.38 $ 成功拟合AMS-02正电子分数和PAMELA电子数据，与激波加速理论一致。
• 观测到的高能区电子谱变陡现象，可自然由太阳位于能量损失增强的旋臂间区域解释，无需引入硬谱额外组分。
• 具有10 TeV截止能量和 $ \gamma_0 = 1.7 $ 的二级组分能良好拟合正电子分数，截止能量低至1 TeV的模型也获得可接受的拟合结果。
• 该模型对费米-LAT在200 GeV以上的电子谱存在低估，提示可能存在来自附近局域源（如Vela超新星遗迹）的贡献。
• 单一附近电子加速器（$ E_{\text{cut}} = 1~\text{TeV} $，$ \gamma = 2.1 $）可良好拟合费米-LAT与AMS-02数据的联合结果，表明局域源可能解释高能区的过剩现象。