定量研究硬化的阿尔法磁谱仪核光谱在几百问
Jia-Shu妞妞
1、2*
经刘1
- 1理论物理研究所、山西大学、太原,中国
- 2国家重点实验室的量子光学和量子光学设备,山西大学、太原,中国
最重要的功能在宇宙射线(CR)核光谱的光谱硬化几百问。重要的是要知道不同的核物种的硬化是否相同的构造CR来源和传播模型。在这项工作中,我们收集主要物种的最近发布了ams - 02将CR核光谱(质子、氦、碳、氧、氖、镁、硅、铁),次要物种(锂、铍、硼、氟),和混合物种(氮、钠和铝)和研究断裂位置和光谱指数差异(越来越大于打破刚性)光谱定量硬化。结果告诉我们,CR核谱硬化在几百全球之声混合起源。详细的主导因素主要和次要的光谱硬化CR核物种不同:前者来自叠加不同的CR来源,而后者来自于传播过程。这两个因素影响各种各样的CR核光谱,只是不同的权重。
1介绍
空间站实验阿尔法磁谱仪(ams - 02将)改善测量精度的宇宙射线(CR)通量分类学的订单(阿基拉和阿尔贝蒂,2013CRs)和加深了我们的理解。基于观测数据精度由02将这些优秀的实验,CR物理学进入了precision-driven时代。越来越多的精细结构,CR光谱中观察到。
直到现在,ams - 02将已发布的所有核物种的光谱的原子序数14(硅)基于最初的7年观察,包括主CR物种:质子,氦(他),碳(C)、氧气(O),霓虹灯(Ne),镁(Mg)和硅(Si) (Aguilar et al ., 2021,2020年);二级CR物种:锂(李),铍(是),硼(B),氟(F) (Aguilar et al ., 2021 a;Aguilar et al ., 2021);和混合CR物种:氮(N)、钠(Na)和铝(Al) (阿基拉和阿里Cavasonza, 2018年;2021 c)。此外,沉重的主要物种的谱系,铁(Fe),也被释放(Aguilar et al ., 2021 b)。
从整体的角度来看,二级CR物种的下降趋势比那些更严重的主要的和混合的中间。这对应于二次CR核物种的起源产生碰撞的主要CR与星际介质粒子(ISM)。大多数这些CR核物种显示光谱硬化几百问,这是最重要的特性在ams - 02将核光谱。度不同的CR硬化的核物种直接对应硬化的起源,然后指向CR来源的特点和传播模型(妞妞,2021)。CR事件的累积,光谱的不确定性(特别是高刚性区域)变得越来越小。是必要的和可能进行定量研究这些CR核光谱,这将为我们提供一个全局视图,当我们迈入CRs的研究。
身体上来说,观察到的CR光谱是由合成的主要来源注入光谱的影响,传播过程,和太阳能灯;即便如此,它有助于分析观察到的CR直接光谱,它总是构建CR模型的起点。虽然这样的作品仅仅表现在ams - 02将公布的数据文件(Aguilar et al ., 2021,2020年;Aguilar et al ., 2021 c),他们并不总是使用独立打破幂律公式对不同CR核物种(如使用一组参数来适应他的光谱,C、O和使用另一组参数来适应东北,Mg,和Si)。它将覆盖CR物种之间的差异在一个组。因此,一个独立的配件的CR核物种通过一个统一的方法不仅可以为我们提供一个详细的定量对比这些物种也为指导改善当前全局视图CR模型。1
本文的其余部分组织如下:在第二部分首先介绍了方法;结果在第三节所示;并在第四部分提出了讨论。
2材料和方法
由于光谱硬化发生在几百问,数据点与刚度小于45问被丢弃在这工作。在这种情况下,我们可以避免处理太阳能灯和适合这些CR核光谱直接使用休息幂律。休息一下在100 - 1000年全球之声是用来描述光谱的位置在每个CR硬化核物种。
下面的公式是用来描述每个ams - 02将核光谱(包括主CR物种:质子,他,C、O, Ne, Mg,是的,和铁;二级CR物种:李,B和F;和混合CR物种:N, Na,和Al)当刚度大于45问:2
在哪里F是CR的通量,N是归一化常数,ν1和ν2是越来越光谱指标大于打破刚性Rbr分别表示原子核的物种。我们的配件使用的错误统计和系统误差的平方和。
马尔可夫链蒙特卡罗(密度)框架是用来确定后验概率分布(PDF)和不确定性的光谱参数不同的CR核物种。3
3的结果
最佳值和允许间隔从第五百分位的第95个百分位参数ν1,ν2,Rbr,Δν≡ν2−ν1列出表1,在减少χ2每个配件的。4最佳的结果和相应的残差的主要,次要,混合CR物种了图1- - - - - -3,分别。5
表1。光谱参数的拟合结果不同核物种。最佳值和允许5 th -第95个百分位间隔(在括号中)列出的每个参数。
图1。拟合结果和相应的残差到主CR核光谱(质子,他C、O、Ne、镁、硅、铁)。2σ(深红色)和3σ(淡红色)界限也subfigures所示。有关减少χ2subfigures中的每个谱给出的价值。
图2。拟合结果和相应的残差到辅助CR核光谱(李,B, F)。2σ(深红色)和3σ(淡红色)界限也subfigures所示。有关减少χ2subfigures中的每个谱给出的价值。
图3。拟合结果和相应的残差混合CR核光谱(N, Na, Al)。2σ(深红色)和3σ(淡红色)界限也subfigures所示。有关减少χ2subfigures中的每个谱给出的价值。
一般来说,减少了χ2值的CR核物种都小于1.0,这表明成功的打破幂律谱来描述。然而,一些太小了χ2值意味着数据错误的不当治疗。治疗的改善需要额外信息系统ams - 02将错误数据的相关矩阵。可以找到一些详细的讨论这个话题Derome et al。(2019),Weinrich et al。(2020),Heisig et al。(2020)。每个人都应该注意减少χ2值表1没有绝对意义上的拟合优度,尽管他们彼此可以比较。
4讨论
为了获得一个清晰的表征和比较的拟合参数不同的核物种,箱线图6的光谱参数用于显示的分布ν1,ν2,Rbr,Δν≡ν2−ν1在图4。
图4。的箱线图ν1,ν2,Rbr,ν2−ν1≡Δν。乐队在盒子里面显示了数据集的中值,框显示了四分位数,胡须扩展显示分布的其余部分小幅的第五百分位和第95百分位。
的箱线图ν1在图4次要物种值最低,其次是混合物种和主CR的物种。很明显,ν1的质子和Fe值明显不同于其他主要CR的物种。前者总是被称为p /他异常,通常归因于particle-dependent加速机制发生在银河CR来源(见,例如,Vladimirov和Johannesson (2012))。同时,提出了许多具体的机制来解释这种异常(见,例如,Erlykin和Wolfendale (2015);Malkov et al。(2012);Fisk和Gloeckler (2012);Ohira和Ioka (2011);Tomassetti (2015 b))。后者明显来自于更大的互动横截面的ISM菲比轻核物种(他,C、O、Ne、镁、和Si) (Aguilar et al ., 2021 b)。二级CR核物种的ν1F的值比别人的大,这表明重CRs的传播从F (Si)可能不同的光CRs(从他到O),混合CR核物种ν1艾尔的价值大于N和Na。这是一个直接的迹象主要成分的比例高于N和Na(见阿基拉和阿里Cavasonza (2018;2021 c)更多的细节)。应该注意到一个趋势是在这个subfigure暗示:如果我们考虑ν1值在一群CR核物种(小学,中学,或混合),他们随着原子序数的增加而增加。这种趋势只是一个巧合,还是它来自一种未被发现的机制(如电荷- mass-dependent加速度或传播)在未来应该被测试。
的箱线图ν2在图4比的,不确定性更大ν1因为较少的数据点在高刚性地区更大的不确定性。粗略地讲,ν2价值观的主要CR核物种都要比其他的次要物种(如果有相当大的不确定性的除外)。混合CR核物种,Nν2大约2%的价值较低的不确定性,这是一样的内质子和其他主要物种的不确定性;的ν2Na是约20%的不确定性,这是类似于Si(约18% - -19%);的ν2Al具有不确定性的约9% - -10%,主要的相似值,这表明其在高通量刚性区域由主要组件。
的箱线图Rbr在图4休息,它表明立场之间明显不同的CR核物种,特别是在小学和混合物种。相反,断裂位置的二次CR核物种分布在200 - 400年全球之声,更集中,表明它们可能有共同的起源。如果光谱二次硬化CR核物种(李,B, F)主要来自父母的物种(C、N、O, Ne, Na, Mg,,和Si),他们的休息位置应该有相似的分布。考虑F沉重的二级CR核物种,它被认为是主要由碰撞产生的原子核(如东北、Mg和Si)主义,但其断裂位置分配约200问,这是明显不同于其父母的物种(都是超过300全球之声)。这是明确的证据表明,光谱在二级CR硬化核物种并不主要是继承父母的物种,和硬化的主要因素来自于传播(如布拉西et al。(2012);Tomassetti (2012,2015 b,一);冯et al。(2016);Genolini和媒体报道。(2017);金et al。(2016);郭元(2018,b);刘et al。(2018);妞妞et al。(2019);Boschini et al . (2020,b);和牛(2022)]。而且,这种扩散分布的断裂位置的主要CR核物种不能匀加速机制主要是复制的CR来源或在传播过程中,和叠加不同的来源(具有不同光谱指数和元素丰度)似乎是唯一自然的解释(如元et al。(2011);悦和马。(2019);元et al。(2020);牛(2021)]。
的箱线图ν2−ν1在图4,一些Δν值继承很大不确定性ν2,尤其是对Ne、硅、铁、钠、和艾尔。一般来说,ν2−ν1值是相同的小学,中学,和混合物种内的不确定性。光谱的测量硬化,Δν硅和铁的值分布在零附近,表明这两个物种的光谱硬化并没有统计学意义。此外,它表明Δν一些主要CR核物种的光谱值相对较小的不确定性(质子,他,C、O和毫克)系统地小于二级物种李,,和B,这就是为什么一些珍贵的作品声称ams - 02将数据(包括光谱或光谱比李,,B, C,和O)扩散系数指数有利于休息而不是休息的注入主要来源(见,例如,Genolini和媒体报道。(2017);妞妞和雪(2020)]。此外,ΔνF的系统似乎比李小,,,如果我们遵循先前获得的结论(光谱二次硬化CR核物种主要来自于传播过程),这是一个迹象表明重宇宙射线的传播特性,从F到Si,不同于那些光的宇宙射线,从他到O (Aguilar et al ., 2021 a)。
5总结
总之,主要的CR核物种,虽然ν1和ν2有相似的价值观在不确定性(除了吗ν1质子和铁的特殊原因),显著不同的值Rbr说明他们的光谱硬化不能统一机制CR来源或传播过程。自然起源的硬化叠加不同的CR来源,这一方面与银河平均CR来源和当地CR源(如Geminga信噪比(赵et al ., 2022)和从附近的M superflares小矮人(欧姆Hoischen, 2018),另一方面对应于不同种类的CR工厂,如超新星残骸的不同人口(Aharonian et al ., 2004),星系中心(谢勒et al ., 2022)、诺瓦斯(H.E.S.S.协作,2022)和活性红矮星(Sinitsyna et al ., 2021)。在这两种情况下,只要CR来源有不同的元素丰度,它就会产生不同的ν2−ν1和Rbr值不同的CR核物种。结合上述两种情况也是有可能的(Zhang et al ., 2022)。
对于二级CR核物种,他们集中的值Rbr不同于父母的物种,它否认的可能性的继承主要物种起源和倾向于传播(如spatial-dependent传播(Tomassetti 2012;郭et al ., 2016))。在这里,不同的传播区域对应于星系的结构(即。,galaxy center, the bulk, the disk, the halo, and even the spiral arms), in which the densities of ISM are different, and thus they have different propagation environments.
因此,光谱硬化的主导因素为主要和次要CR核物种是不同的。当然,这些因素将影响所有的CR核物种光谱,不管主,二级,或混合的,只是不同的权重。混合起源的CR核谱硬化在几百问也证实了牛(2022)通过一个传播模型。这些混合起源不仅会产生一个打破200问在二级/主要比率(如B / C和B / O),对应于控制光谱硬化的次要物种,但也生产了超过200全球之声在二级/主要比例,对应于控制光谱硬化的主要物种。这些预测是证实了最近发布的B / C和B / O比率从DAMPE (DAMPE协作,2022)。此外,Δ略有不同ν和Rbr分布之间的F和李/ / B显示一些提示,重CRs的传播性质不同于CRs的光。
数据可用性声明
公开的数据集进行分析。这些数据可以发现:doi: 10.1016 / j.physrep。2020.09.003doi: 10.1103 / PhysRevLett.121.051103doi: 10.1103 / PhysRevLett.124.211102doi: 10.1103 / PhysRevLett.126.081102doi: 10.1103 / PhysRevLett.126.041104doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.021101。
作者的贡献
J-SN提出最初的想法和写的手稿;和莱托进行了一些计算。
资金
这项研究得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委;12005124和12005124号)。
确认
J-SN要感谢慧芳雪和Jue-Ran妞妞提供一个安静的工作环境。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
脚注
1我们之前的工作(妞妞,2021)进行类似的研究基于从02将旧数据,显示大相关性的系统误差。一个更新的数据集将给我们更为合理和完整的结果。
245问是选为刚性截止保守,因为质子的振幅和他通量观测到ams - 02将结构与增加刚度和减少40问以上消失(Aguilar et al ., 2021)。也可以发现类似的选择Aguilar et al。(2021)。
3的python模块司仪(Foreman-Mackey et al ., 2013)是用来获得执行。一些这样的例子妞妞和李(2018),妞妞et al。(2019),牛(2022)和引用。
4参数的信息N不是表中列出,在随后的分析并不重要。Δ的PDFν≡ν2−ν1来自的吗ν1和ν2。
5注意,在面板的subfigures越低图1- - - - - -3,σeff被定义为
在哪里f奥林匹克广播服务公司和f卡尔是来自于观察的点和模型计算,分别;σ统计和σ系统是观察到的统计和系统的标准偏差点,分别。
6箱线图是一种图形化描述方法组通过四分位数值数据。在我们的配置中,乐队在盒子里面显示了数据集的中值,框显示了四分位数,胡须扩展显示其余的分布小幅的第五百分位和第95百分位。
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关键词:银河宇宙射线、宇宙射线传播起源的宇宙射线、宇宙射线能谱,宇宙射线组成
引用:刘妞妞J s和J(2022)定量研究硬化的阿尔法磁谱仪核光谱在几百问。前面。阿斯特朗。空间科学。9:1044225。doi: 10.3389 / fspas.2022.1044225
收到:2022年9月14日;接受:2022年10月26日;
发表:2022年11月11日。
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