以TeV伽马射线晕研究银河系宇宙线传播
批准号:
12105292
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
方堃
依托单位:
学科分类:
中微子与粒子天体物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
方堃
中文摘要
宇宙线在银河系中的传播是宇宙线物理中最重要的研究内容之一,通常由扩散模型来描述。然而,作为目前限制宇宙线传播最主要的观测量,硼、碳流量之比仅能限制宇宙线在银河系中的平均扩散系数,对于扩散系数在银河系中如何分布则没有直接的观测证据。本课题拟利用TeV伽马射线晕作为观测量,研究银河系宇宙线传播的空间依赖。TeV伽马射线晕由中年脉冲星释放的电子在星际介质中扩散时通过逆康普顿散射产生,其形态是宇宙线扩散系数的直接测量。我们可以利用对TeV晕扩散系数的统计来分析扩散系数的空间分布。此外,我们也计划利用TeV晕检验扩散模型以外的宇宙线传播机制,如超扩散模型。我们对TeV晕的研究将基于LHAASO的观测结果。LHAASO以其前所未有的能量范围和灵敏度,能够为我们提供最理想的观测样本。
英文摘要
Cosmic-ray (CR) propagation is one of the major topics of CR researches. The Galactic propagation of CRs are generally believed to be a diffusion process. At present, the carbon-to-boron flux ratio is the most important quantity to measure the diffusion coefficient of CRs. However, it can only constrain the average diffusion coefficient in the Galaxy. We have little knowledge about the spatial distribution of the diffusion coefficient. In this project, we plan to use TeV gamma-ray halos as a probe to study the spatial dependency of CR propagation. TeV halos are generated by electrons escaping from middle-aged pulsars through inverse Compton scattering, the morphologies of which indicate the diffusion coefficient in the interstellar medium. The statistics of the TeV halos may indicate the spatial dependency of the diffusion coefficient. Moreover, we plan to test propagation models beyond the diffusion picture with the TeV halos, such as superdiffusion model. Our study will be based on the LHAASO experiment. With its unprecedentedly broad energy range and high sensitivity, LHAASO can provide us the best objects of study.
宇宙线传播是宇宙线物理中的关键问题。由于受到极为复杂的星际磁场的影响,在地球处探测到的宇宙线几乎完全失去了远处的方向信息,这意味着要回答宇宙线起源这一世纪之谜,我们必须对其传播过程有足够清晰的了解。传统的研究银河系宇宙线传播的方式是依据宇宙线中的硼、碳流量之比(B/C)约束宇宙线的平均传播性质,本课题则是提出以伽马射线脉冲星晕(也称TeV晕)这类天体研究宇宙线在银河系局部的传播。这与传统方法得到的大尺度性质形成了重要的互补,有助于我们推测银河系宇宙线传播的全貌。.本课题开展的研究内容分为三大类。最首要的一类是在伽马射线天文的框架下对脉冲星晕本身的研究,目前已有多个脉冲星晕得到了认证,我们对它们的伽马射线能谱、空间分布悉数进行了分析,试图探寻脉冲星附近宇宙线传播的普遍性特征。第二类是基于本地宇宙线的观测对传统的宇宙线传播研究进行延伸。根据脉冲星晕对宇宙线局部传播研究得到的新认识,宇宙线大尺度传播特征也会得到一些预示,我们试图对大小两种尺度的观测现象进行统一的理解。第三类是探讨脉冲星晕所表征的宇宙线慢扩散等现象对其他宇宙线物理问题的影响。.我们通过对Geminga、LHAASO J0621+3755、HESS J1831-098等多个脉冲星晕的分析,首先确认了慢扩散现象在对应的脉冲星附近是必要的。接着,对这些脉冲星晕的较硬的伽马射线能谱的分析表明双区扩散图像的必要性,即慢扩散区的大小为数十秒差距(pc),这也与慢扩散现象可能的起源相一致。这类数十pc的慢扩散区很可能广泛分布于银道面附近,对宇宙线传播而言即是一个等效的慢扩散盘,我们发现这可以解释宇宙线直接测量中的诸多异常现象,如宇宙线核的普遍能谱硬化,以及氟的流量高估问题。基于这样的新的银河系宇宙线传播图像,我们可以对弥散伽马射线超出问题有新的理解,亦能够对暗物质的间接探测有更严格的约束。以上工作形成了十余篇核心期刊论文。
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