[论文解读] What sources are the dominant Galactic cosmic-ray accelerators?

Jacco Vink|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文认为，尽管超新星遗迹（SNRs）是银河系宇宙射线在约10 TeV以下的主要来源，但必须存在一个第二成分——可能来自星形成区或脉冲星——以解释宇宙射线能量谱在约3×10¹⁵ eV处的‘膝’结构。基于H.E.S.S.对Westerlund 1的观测，研究显示低扩散系数（~10²⁶ cm² s⁻¹）和高阿尔芬速度（>100 km s⁻¹）可使二级费米加速过程将粒子加速至拍电子伏（PeV）能量，表明星形成区可作为集体PeVatrons。

ABSTRACT

Supernova remnants (SNRs) have long been considered to be the dominant source of Galactic cosmic rays, which implied that they provided most of the energy to power cosmic rays as well as being PeVatrons. The lack of evidence for PeV cosmic rays in SNRs, as well as theoretical considerations, has made this scenario untenable. At the same time the latest LHAASO and other gamma-ray results suggest that PeVatrons lurk inside starforming regions. Here I will discuss why SNRs should still be considered the main sources of Galactic cosmic rays at least up to 10 TeV, but that the cosmic-ray data allow for a second component of cosmic rays with energies up to several PeV. This second component could be a subset of supernovae/SNRs, reacceleration inside starforming regions, or pulsars. As a special case I show that the recent observations of Westerlund 1 by H.E.S.S. suggest a low value of the diffusion coefficient inside this region, which is, together with an Alfvén speed > 100 km/s, a prerequisite for making a starforming region collectively a PeVatron due to second order Fermi acceleration.

研究动机与目标

• 解决长期存在的PeVatron难题：尽管SNRs是银河系宇宙射线的主要来源，但为何无法单独解释约3×10¹⁵ eV处的宇宙射线‘膝’结构？
• 评估星形成区（特别是Westerlund 1等超泡）是否可通过二级费米加速机制作为集体PeVatrons。
• 将LHAASO和H.E.S.S.的观测伽马射线数据与致密磁化环境中宇宙射线加速和扩散的理论模型相协调。
• 评估星形成区维持拍电子伏宇宙射线加速所需的能量与物理条件，包括扩散系数、磁场强度和阿尔芬速度。

提出的方法

• 使用扩散-反应方程模拟球壳内宇宙射线的输运与加速，扩散系数D由伽马射线形态与时序特征推导得出。
• 应用二级费米加速时序公式 τ_acc ≈ 8D₁/V_s² 估算加速效率，假设阿尔芬速度 V_A ≥ 100 km s⁻¹。
• 通过壳层半径 R_shell 与逃逸时序 τ 的关系 R_shell = √(6Dτ) 估算扩散系数 D，得出在100 TeV能量下 D ≈ 3×10²⁶ cm² s⁻¹。
• 利用阿尔芬速度公式 V_A = B/√(4π·1.4·n_H·m_p) 推断实现高 V_A 与低 D 所需的磁场与密度条件。
• 将Westerlund 1的观测伽马射线谱（截止能量约40 TeV）与理论预期对比，推断宇宙射线在逃逸前已被加速至 >100 TeV。
• 通过比较所需 D 与 τ 与观测到的宇宙射线能量密度及超新星爆发率，评估能量预算，确保与 U_cr ≈ 1 eV cm⁻³ 和 ˙E_sn ≈ 10⁴¹ erg s⁻¹ 一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠超新星遗迹能否解释约3×10¹⁵ eV处的宇宙射线‘膝’结构，即使其观测伽马射线谱在100 TeV以下已出现截止？
• RQ2 星形成区（如Westerlund 1）中何种物理条件可使二级费米加速过程达到拍电子伏能量？
• RQ3 Westerlund 1的观测伽马射线形态与谱是否与低扩散系数和高阿尔芬速度一致？
• RQ4 超泡内多个超新星爆发与恒星风的集体能量输入是否足以维持拍电子伏宇宙射线的加速？
• RQ5 观测到的宇宙射线谱在约10 TeV处的硬化现象，以及LHAASO探测到的PeV伽马射线源，对第二高能宇宙射线成分的存在施加了何种约束？

主要发现

• Westerlund 1的观测伽马射线谱在约40 TeV处出现截止，表明宇宙射线质子在逃逸前已被加速至超过100 TeV，与PeVatron活动一致。
• 在10 TeV能量下推断的扩散系数为 D ≈ 10²⁶ cm² s⁻¹，接近玻姆扩散极限（η ≈ 3），表明存在强烈的磁湍流。
• 需要高阿尔芬速度 V_A ≥ 100 km s⁻¹，这意味着内部氢密度 n_H ≤ 0.2 cm⁻³ 且磁场 B ≈ 10 μG，与演化后的超泡条件一致。
• 低扩散与高阿尔芬速度的结合使二级费米加速过程在约20万年内达到PeV能量，与Westerlund 1的年龄相符。
• 能量预算与观测到的宇宙射线能量密度及超新星爆发率一致，支持星形成区可作为集体PeVatrons的观点。
• 本文结论认为，尽管SNRs是银河系宇宙射线在~10 TeV以下的主要来源，但必须存在一个第二成分——可能来自星形成区或部分SNRs——以解释宇宙射线能量达到‘膝’结构。