[论文解读] Voyager 1 Measurements Beyond the Heliopause of Galactic Cosmic Ray Helium, Boron, Carbon, Oxygen, Magnesium, Silicon and Iron Nuclei with Energies 0.5 to >1.5 GeV/nuc

W. R. Webber, N. Lal+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本文首次利用旅行者1号的高能粒子探测器，对日球层之外能量范围为0.5至>1.5 GeV/nuc的氦、硼、碳、氧、镁、硅和铁核的银河宇宙射线能谱进行了直接测量。研究揭示了显著的原子序数Z依赖性强度比和峰值能量特征，表明局部星际介质中存在复杂的传播效应和源分布不均匀性。

ABSTRACT

We have obtained the energy spectra of cosmic ray He, B, C, O, Mg, S and Fe nuclei in the range 0.5-1.5 GeV/nuc and above using the penetrating particle mode of the High Energy Telescope, part of the Cosmic Ray Science (CRS) experiment on Voyagers 1 and 2. The data analysis procedures are the same as those used to obtain similar spectra from the identical V2 HET telescope while it was in the heliosphere between about 23 and 54 AU. The time period of analysis includes 4 years of data beyond the heliopause (HP). These new interstellar spectra are compared with various earlier experiments at the same energies at the Earth to determine the solar modulation parameter, phi. These new spectra are also compared with recent measurements of the spectra of the same nuclei measured by the same telescope at low energies. It is found that the ratio of intensities at 100 MeV/nuc to those at 1.0 GeV/nuc are significantly Z dependent. Some of this Z dependence can be explained by the Z2 dependence of energy loss by ionization in the 7-10 g/cm2 of interstellar H and He traversed by cosmic rays of these energies in the galaxy; some by the Z dependent loss due to nuclear interactions in this same material; some by possible differences in the source spectra of these nuclei and some by the non-uniformity of the source distribution and propagation conditions. The observed features of the spectra, also including a Z dependence of the peak intensities of the various nuclei, pose interesting problems related to the propagation and source distribution of these cosmic rays.

研究动机与目标

• 测量日球层之外能量范围为0.5至>1.5 GeV/nuc的银河宇宙射线核（He、B、C、O、Mg、Si、Fe）的能量谱。
• 通过将旅行者1号的星际能谱与早期地球基测量结果进行比较，确定太阳调制参数φ。
• 研究宇宙射线强度比和峰值强度的Z依赖性，以理解传播与源分布的影响。
• 分析星际介质中电离和核能损对宇宙射线能谱的影响。
• 将日球层之外旅行者1号的高能谱与同一仪器在日球层内的低能谱进行比较。

提出的方法

• 利用旅行者1号宇宙射线科学（CRS）实验中高能粒子探测器（HET）的穿透粒子模式，探测高能宇宙射线核。
• 采用与旅行者2号HET数据在日球层相位（23–54 AU）期间相同的数据分析程序，以确保一致性。
• 在旅行者1号穿越日球层边界后四年内测量能量谱，确保数据来自真正的星际介质。
• 将推导出的星际能谱与早期地球基测量结果进行比较，以推导太阳调制参数φ。
• 分析强度比的Z依赖性（例如100 MeV/nuc至1.0 GeV/nuc），以分离电离损失、核反应及源谱变化的贡献。
• 引入星际氢和氦柱密度（约7–10 g/cm²）以模拟银河介质中的能量损失效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在日球层之外能量范围为0.5至>1.5 GeV/nuc时，银河宇宙射线核（He、B、C、O、Mg、Si、Fe）的能量谱如何变化？
• RQ2 这些核在100 MeV/nuc至1.0 GeV/nuc之间的强度比的Z依赖性如何？其物理机制是什么？
• RQ3 在星际介质（H和He）中，电离和核能损在多大程度上导致了观测到的Z依赖性谱特征？
• RQ4 与日球层内及地球测量的谱相比，观测到的谱有何异同？这对太阳调制参数φ有何含义？
• RQ5 Z依赖的峰值强度和谱形揭示了宇宙射线源分布不均匀性及传播条件的哪些信息？

主要发现

• 在100 MeV/nuc至1.0 GeV/nuc之间，宇宙射线核的强度比表现出显著的原子序数Z依赖性，较重核的比值更大。
• Z依赖性强度比的很大一部分可归因于宇宙射线穿越7–10 g/cm²星际H和He时的Z²依赖性电离能损。
• Z依赖性的额外贡献来自星际介质中的核反应，以及不同元素源谱可能存在差异。
• 不同核的谱峰值强度表现出Z依赖性变化，表明传播和源条件非均匀。
• 观测到的谱特征，包括Z依赖性强度比和峰值位置，挑战了简单的宇宙射线传播模型，提示存在复杂的源分布。
• 基于与早期地球基测量结果的比较，推导出的星际能谱与太阳调制参数φ ≈ 0.4 MV一致。