Kosmičko zračenje: Problem litijuma i difuznog gama-zračenja

1. Kosmičko zračenje:Problem litijuma i difuznog gama-zračenja Tijana Prodanović PMF, Univerzitet u Novom Sadu Brian D. Fields, UIUC John F. Beacom, OSU Astronomija, Univerzitet u Beogradu Novembar, 2006.

2. Sadržaj • Kosmičko zračenje: uvod • Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum • Problem litijuma-7: WMAP • BBN teorija > posmatranja • Problem litijuma-6: nova merenja • Teorija kosmičkih zraka < posmatranja • Problem gama zračenja: nova merenja • TeV višak? • Zaključak Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.2

3. Visokoenergetske naelektrisane čestice Ubrzane u astrofizičkimšokovima ako je prisutno bar malo magnetno polje (CRspektar, jak šok: Flux~E-2 ) Bilo koji izvor šoka je kandidat! (Blandford & Eichler 1987) Supernova ostatci(SNR) galaktičkokosmičko zračenje (GCR) Šokovi formacije struktura kosmičko zračenje formacije struktura (Inoue, Kang, Miniati) Kosmičko zračenje (CR) VLA , Tycho SNR Reynolds & Chevalier Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.3

4. Interakcijske observable hadronskog kosmičkog zračenja • Gama zračenje • Litijum, Berilijum & Bor Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.4

5. Li-gkonekcija • Bilo koji izvor kosmičkog zračenja proizvodi i gama zračenje i litijum • Povezani su u suštini preko odnosa brzina njihovih reakcija(Fields and Prodanović 2005) • Obilnost Li (abundance): lokalni CR fluks (fluence) • Difuzno ekstragalaktičko : CR fluks (fluence)kroz svemir • Zadato jedno, ograničava drugo Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.5

6. Problemi Litijuma • 7Li poreklo: BBN + kosmičko zračenje • Ali 6Li se proizvodi isključivo putem kosmičkog zračenja kroz fuzionei spalacionereakcije. • Litijum meren u zvezdama haloa (stare, malo ‘metala’) • Plato i plato? Asplund et al. (2006) Primordialan Li: teorija Očekivano ali neusaglašeno Neočekivano metaličnost Sunce danas time Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.6

7. “Litijumski problem” • 7Li potiče dominantno iz Big Beng nukleosinteze (Cyburt, Fields, Schramm) • Halo zvezde niske metaličnosti: 7Li plato(Spite & Spite 1982) → ukazuje na primordijalni litijum • AliWMAP (2003)rezultat: primordialni Li~ 2-3 puta više nego mereno u halo zvezdama Litijumski problem • Bilo koji pre-Galaktički izvor litijuma bi bio prisutan u halo zvezdama i time pogoršao već postojeći problem! • GCR Li: niska kontaminacija (ograničeno putem BeB) • Ali tu su i kosmološki kosmički zraci… 4He D 3He 7Li Cyburt 2005 (private communication) Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.7

8. Šokovi formacije struktura - kosmološki šokovi koji nastaju zbog ulivanja barionske materije i procesa sjedinjavanja tokom porasta struktura velikih razmera (Miniati) Mehanizam difuznog ubrzavanja u šokovima formacija struktura / kosmološkokosmičko zračenje Merenja X zračenja u galaktičkim jatima: ne-termalni višak( na pr. Fusco-Femiano et al. 2004) Veliki rezervoar energije i ne-termalnog pritiska Miniati et al. 2000 Kosmički zraci formacije struktura Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.8

9. Litijum i kosmičko zračenje iz formacije struktura • Eksploatišemo Li-gama konekciju • Iz posmatranja ekstragalaktičkog pozadinskog gama zračenja procenjujemo maksimalan pionski doprinos, dodeljujemo ga kosmičkim zracima formacije struktura → procenjujemo LiSFCR proizvodnju (u zavisnosti od pretpostavljenog redshift-a) • Kosmički zraci formacije struktura mogu biti bitan izvor pre-Galaksijskog litijuma! • Moramo bolje ograničiti doprinos kosmičkog zračenja formacije struktura Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.9

10. Potraga za SFCR u oblacima velikih brzina (“High velocity clouds”) • Oblaci gas koji padaju na našu Galaksiju(Wakker & van Woerden 1997) • Neki od ovih oblaka imaju metaličnost svega 10% od sunčeve • Neki od ovih oblaka imaju vrlo malo ili uopšte nemaju prašine • Poreklo: • Galactic fountain model(Shapiro & Field 1976) • Ekstragalaktičko • Objekti Magellanic Stream tipa ili • Gas koji je preostao posle formiranja Galaksije(Oort, Blitz , Braun) HVCs male metaličnosti sa malo prašine obećavaju kao bitne lokacije za testiranje pre-Galaksijskog litijuma i kosmičkog zračenja formacije struktura (Prodanović and Fields 2004b) Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.10

11. Sadržaj • Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum • Problem litijuma-7 • SFCRs ga pogoršavaju • HVCs: novi pristup • Problem litijuma-6 • Predviđanja iz kosmičkih zraka < posmatranja • Problem gama zračenja • TeV višak? • Zaključak Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.11

12. Problemi Litijuma • 7Li poreklo: BBN + kosmičko zračenje • Ali 6Li se proizvodi isključivo putem kosmičkog zračenja kroz fuzionei spalacionereakcije. • Litijum meren u zvezdama haloa (stare, malo ‘metala’) • Plato i plato? Asplund et al. (2006) Primordialan Li: teorija Očekivano ali neusaglašeno Neočekivano metaličnost Sunce danas time Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.12

13. Koliko dobro razumemo6Li? • Uobičajena pretpostavka: 6LiSolarnastao od GCR • Ali nedavna posmatranja ukazuju na 6LiSolar plato? • Skorije teorije: 6Li poreklo od raspada tamne materije Asplund et al.(2006) Primeniti Li-gama vezu radi testiranja standardne teorije porekla 6Li iz nukleosinteze putem galaktičkog kosmičkog zračenja. Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.13

14. Galaktičko kosmičko zračenje i6Li: • Prva procena (aproksimacije) • Li-gamaveza: 6LiSolarzahteva → aliukupnoizmereno pozadinsko ekstragalaktično gama zračenje iznosi (Strong et al. 2004) • Detaljan model 6LiGCR ~ 0.45 6Litot!!! Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.14

15. Posledice • Svega ~ 50% solarnog 6Li može biti objašnjeno pomoću galaktičkog kosmičkog zračenja bez da se proizvede previše gama zračenja. • Neophodan bitan novi izvor6Li • Skorija merenja u halo zvezdama: 6Li plato? Ali na nivou 10% od solarnog(Asplund et al. 2006) • GCR fluks u Mlečnom putu veći nego kosmička srednja vrednost? • Niskoenergetska komponenta kosmičkog zračenja? Energetskai LiBeB ograničenja. Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.15

16. Sadržaj • Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum • Problem litijuma-7 • SFCRs ga pogoršavaju • HVCs: novi pristup • Problem litijuma-6 • Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50% solarnog litijuma-6 • Problem gama zračenja • TeV višak? • Zaključak Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.16

17. Pionsko gama zračenja • “Pionski” gama zraci • Specifičan spektar – pionsko “ispupčenje” (pion ‘bump’); maxna mπ/2 (Stecker 1971; Dermer 1986) • Očekujemo da dominira ali nema jakih dokaza u spektrima za ovo pionsko ispupčenje • Koristiti oblik spektra(Pfrommer & Enßlin 2003)da se nađe max “pionski” udeo(Prodanović & Fields 2004) Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.17

18. Galaktičko “pionsko” gama zračenje Prodanović and Fields (2004a) • EGRET: GeV domen • Naćimax “pionski” flukstako da “pion bump” ostaje ispod merenog galaktičkog spektra • Galaktički CRs: • Max “pionski” udeo • Ali primetimo ostatak! Brems/IC Strong et al. (2004) GeV višak= Tamna materija?? Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.18

19. Pionsko gama zračenje: Novi pristup • Moguć DM signal bi bio odsečen oko ~ 100 GeV • Iako inverzna Komptonovska komponenta postoji na niskoenergetkom kraju, ona je odsečena oko ~ TeV • U TeV režimu pionsko gama zračenje dominira • Potrebno merenje difuznog gama zračenja u galaktičkoj ravni u TeV režimu Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.19

20. TeV merenje difuznog galaktičkog gama zračenja Prodanović, Fields & Beacom (2006) • Milagro vodeni Čerenkovljev detektor • Pionski gama zraci dominiraju? • Neuobičajen spektralni indeks • Milagro: pionsko zaista dominira • Mereni spektralni indeks • Milagro: pionsko svega ~20% ! • “TeV višak”? • Još jedna komponenta? Tamna materija? Tačkasti izvori? Milagro vodeni Čerenkovljev detektor Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.20

21. Tačkasti izvori u Milagro regionu Prodanović, Fields & Beacom (2006) • Identifikovali smo 10 EGRET-ovih izvora u Milagrovom regionu • Ukupan fluks ovih 10 izvora ekstrapoliran do TeV energija je bar jedan red veličine višlji od Milagro rezultata • 4 od ovih izvora posmatranih u TeV pokazuju značajna odstupanja • od ekstrapolacije • Ovo ukazuje na prekid/prelom u spektru tačkastih (uglavnom supernove) izvora ! • Posledice za ubrzavanje kosmičkih zraka: max enegrija ubrzanja • Treba više merenja! Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.21

22. Sadržaj • Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum • Problem litijuma-7 • SFCRs ga pogoršavaju • HVCs: novi pristup • Problem litijuma-6 • Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50% solarnog litijuma-6 • Problem gama zračenja • TeV višak • Prekid/prelom u spektru tačkastih izvora • Zaključak Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.22

23. Uskoro nova merenja! • GLAST: • Pogled kroz “neotvoren prozor” (do 300 GeV) • Bolje određivanje ekstragalaktičkog pozadinskog zračenja • Pionska karakteristika? • Čerenkovljevi eksperimenti: TeV domen • H.E.S.S. • Južna hemisfera • Posmatranja od 2004 • VERITAS • Severna hemisfera • Uskoro! H.E.S.S. Collaboration Science 309 (2005) 746 Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.23

24. Zaključak • Pionsko gama zračenje i Li-gama veza se pokazuju kao bitan test interakcije kosmičkog zračenja • Kosmički zraci formacije struktura (SFCRs)mogu biti bitan izvor pre-galaksijskog 7Li; problem primordijalnog Li još gori • Oblaci velikih brzina(HVCs) dozvoljavaju nezavisno testiranje primordijalnog Li i moguće izloženosti na SFCRs • Nukleosinteza putem galaktičkih kosmičkih zraka (GCR) može da objasni svega ~ 50% ukupnog 6Li novi Li problem • Difuzno TeV Galaktično gama zračenje otkriva • Potencijalan TeV višak • Prekid u spektru tačkastih izvora (u glavnom supernova remnanti) • Otkrili smo više problema nego rešenja • Uskoro nova i bolja merenja! Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.24

25. Kraj Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.25