[论文解读] Ultra high-energy cosmic rays from beyond the Greisen-Zatsepin-Kuz'min horizon

Ellis R. Owen, Qin Han+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 135被引用 4

一句话总结

本文表明，来自传统盖尔斯-扎采平-库兹明（GZK）视界之外（红移 z ∼ 2–3）的超大质量宇宙射线（UHECRs）可通过光致碎裂和光致产生π介子的相互作用，显著贡献于地球观测到的UHECR通量。尽管存在强烈衰减，这些遥远源仍会产生显著的各向同性背景成分，与来自附近源的各向异性前景共存，其通量组成取决于源群体和核素组成。

ABSTRACT

Ultra-high-energy (UHE) cosmic rays (CRs) of energies $\sim (10^{18}-10^{20})~{ m eV}$, accelerated in violent astrophysical environments, interact with cosmic background radiation fields via photo-hadronic processes, leading to strong attenuation. Typically, the Universe would become `opaque' to UHE CRs after several tens of Mpc, setting the boundary of the Greisen-Zatsepin-Kuz'min (GZK) horizon. In this work, we investigate the contribution of sources beyond the conventional GZK horizon to the UHE CR flux observed on Earth, when photo-spallation of the heavy nuclear CRs is taken into account. We demonstrate this contribution is substantial, despite the strong attenuation of UHE CRs. A significant consequence is the emergence of an isotropic background component in the observed flux of UHE CRs, coexisting with the anisotropic foreground component that are associated with nearby sources. Multi-particle CR horizons, which evolve over redshift, are determined by the CR nuclear composition. Thus, they are dependent on the source populations and source evolutionary histories.

研究动机与目标

• 研究来自传统GZK视界之外的超大质量宇宙射线（UHECRs）对地球观测通量的贡献。
• 评估光致碎裂和光致产生π介子的相互作用对UHECR核在宇宙距离上传播和衰减的影响。
• 确定遥远源是否能在UHECR通量中产生可探测的各向同性背景成分，与附近源产生的各向异性前景共存。
• 评估UHECR通量对源群体模型、核素组成和红移演化依赖性的变化。
• 将模型预测与皮埃尔·让天文台的观测数据进行比较，以约束可行的源群体。

提出的方法

• 通过求解UHECR核在星际辐射场（包括宇宙微波背景[CMB]和星系际背景光[EBL]）中传播的粒子输运方程，进行数值求解。
• 采用成熟的天体物理模型中的截面数据，纳入光致强子相互作用——特别是光致对产生、共振和直接单π介子产生，以及光致碎裂。
• 使用六组分黑体近似描述EBL，红移演化通过随红移变化的无量纲权重 fi(z) 模型化，其在 z = 1.4 之前呈幂律形式，之后趋于平坦。
• 采用四类不同的源群体模型：星形成率（SFR）、伽马射线暴（GRB）、活动星系核（AGN）以及具有红移演化的幂律模型（PLW），各类模型具有不同的谱特性和演化特性。
• 计算红移依赖的来自红移大于 z 的UHECR比例 fCR(>z)，以量化遥远源的贡献。
• 将 z = 0 处预测的UHECR质量组成谱与皮埃尔·让天文台的数据进行比较，以约束源模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自标准GZK视界（≈50 Mpc）之外的超大质量宇宙射线是否仍能对地球观测到的UHECR通量产生显著贡献？
• RQ2 光致碎裂和光致产生π介子的相互作用如何影响UHECR核在宇宙距离上的传播与衰减？
• RQ3 遥远源对UHECR通量的各向同性成分有何贡献？其如何与附近源产生的各向异性前景共存？
• RQ4 UHECR的核素组成如何依赖于源群体模型和红移演化？
• RQ5 哪些源群体模型（SFR、GRB、AGN、PLW）与皮埃尔·让天文台当前的UHECR质量组成数据一致？

主要发现

• 尽管经历强烈的衰减，来自红移 z ∼ 2–3 的UHECR源仍能对地球观测到的通量产生显著贡献。
• 重核素的光致碎裂产生次级粒子，从而贡献于UHECR通量中的弥散、各向同性背景成分。
• 各向同性背景通量显著，并与附近源产生的各向异性成分共存，挑战了能量高于 10^20 eV 的UHECR完全起源于本地的假设。
• 在某些模型中，来自红移大于 z 的UHECR比例 fCR(>z) 在 z ≈ 3 时可高达100%，表明存在宇宙尺度的贡献。
• 与皮埃尔·让天文台关于平均UHECR质量组成的观测数据相比，PLW型源群体模型被强烈排除。
• 从遥远源到达地球的大多数UHECR仍保持为原初粒子，表明光致碎裂和相互作用并未在宇宙基线上完全破坏原始核素。