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黑洞及致密天体物理 973 项目第四课题组 2011 年度会议 2011 年 8 月 22-25 日 厦门大学. 伽玛暴是极高能宇宙线的源吗?. 王 祥 玉 南京大学. 极高能宇宙线 (UHECRs) 是什么. 探测方法: 广延大气族射. Ultra-high energy cosmic rays : 来自地球外的能量高达 10^20 eV 的带电粒子 ( 河外起源 ). 讨论的问题:. GRB 是极高能宇宙线 (UHECRs) 的源吗? GRB 能把质子(或重核)加速到 10^20 eV 的能量吗
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黑洞及致密天体物理 973 项目第四课题组 2011 年度会议 2011年8月22-25日 厦门大学 伽玛暴是极高能宇宙线的源吗? 王 祥 玉 南京大学
极高能宇宙线(UHECRs)是什么 探测方法:广延大气族射 Ultra-high energy cosmic rays:来自地球外的能量高达10^20 eV的带电粒子(河外起源)
讨论的问题: • GRB是极高能宇宙线(UHECRs)的源吗? • GRB能把质子(或重核)加速到10^20 eV的能量吗 • GRB能提供足够的宇宙线粒子流量吗 • 极高能宇宙线与GRB方向性是否一致 • GRB有高能质子辐射的证据吗? • 高能光子—Fermi/LAT观测 • 高能中微子—Icecube 观测 王祥玉 南京大学天文系
GRB 作为极高能宇宙线的候选源(Waxman 1995, Vietri 1995, Dermer ..) 粒子最大加速能量的限制:粒子Larmor半径小于加速源的尺度 Hillas Plot GRB Internal shocks: R~10^13cm, B~10^6 G R_L=E/qB<=R => E_max=10^20 eV
UHECR的总流量—拟合值 [Waxman 95; Bahcall & Waxman 03] • require Galactic sources up to ~1018.5eV • 1/E2 source spectrum Berezinsky et al. 06
GRB能提供的UHECR的流量 Energy power above the ankle Energy generation rate by GRBs GRB: E_γ=1E52.5 erg, R_0=1/Gpc^3/yr • Uncertainties: 1)ECR/EUHECR • 2)Local GRB rate R_0
Greisen, Zatsepin and Kuzmin(GZK) 效应: E>6*10^19eV的质子只能来自于100Mpc以内
Spectral steepening detected : GZK效应? Pierre Auger 宇宙线天文台 面积: 3000平方公里
Pierre Auger Observatory 宇宙线与邻近AGNs相关性 69个E>55EeV的宇宙线中有29个与AGN成协, 14.5个 expected for isotropy Pierre Auger Collaboration, arXiv:1009.1855 27个E>57EeV的宇宙线中有20个与AGN成协
UHECR与邻近AGNs,2MRS星系的方向相关性 GRB发生在星系中, 极高能宇宙线与AGN或星系方向相关与GRB的分布也是一致的。
讨论的问题: • GRB是极高能宇宙线(UHECRs)的源吗? • GRB能把质子(或重核)加速到10^20 eV的能量吗–可以 • GRB能提供足够的宇宙线粒子流量吗— 有争议 • 极高能宇宙线方向性是否一致—现有结果是一致的,但不能区别 王祥玉 南京大学天文系
二、寻找GRB中高能质子辐射的证据 • 高能伽玛光子—Fermi/LAT观测 • 高能中微子—Icecube 观测
高能伽玛光子辐射 • GRB080916C Wang, Li, Dai & Meszaros (2009): • Synchrotron radiation is favored
Extra components • Hadronic mode: require very high isotropic-equivalent proton energies >10^55 erg/s (Asano & Meszaros 09) • If it is true, favor GRBs as the source sof UHECRs (Asano & Meszaros 09) Xiang-Yu Wang Nanjing Univ.
强子过程辐射?(Wang, Li, Dai & Meszaros 09) • Typically hadronic processes have a lower radiation efficiency than leptonic processes • Proton synchrotron • Photopion secondary emission Both have energy crisis problem ! 王祥玉 南京大学天文系
GRB的高能中微子 p- p0 p+ g g n m+ n m- 探测GRB高能中微子的优势: 背景低:空间误差和时间窗口都较小 m+ n e+ n e 王祥玉 南京大学天文系
GRB内激波的中微子 Waxman & Bahcall 97, 99 王祥玉 南京大学天文系
Neutrinos associated with dissipative photosphere (Wang & Dai 08) Diffuse neutrino spectrum
中微子探测器Icecube的早期结果(Abbasi et al. 2011, PRL) • Icecube 40 strings的结果 利用了Guetta et al. (2004)的参数假定 王祥玉 南京大学天文系
河外伽玛射线背景对宇宙线Cascade radiation的限制 (Berezinsky et al. 2010)
Upper limits on the emissivity of UHECRs (Wang, Liu & Aharonian 2011) E_max=1e21 eV Compare with gamma-ray emissivity 1) ≃ 10^1.5 times larger than the gamma-ray emissivity in GRBs 2) ≃ 10 times smaller than the gamma-ray emissivity in BL Lac objects
Upper bound on cosmogenic neutrinos (Wang, Liu & Aharonian 2011) An upper bound independent of the unknown density fluctuations in the nearby universe Marginally reachable by Icecube, JEM-EUSO
总结 • GRB是否是极高能宇宙线源? • 已有的观测未证明, 也未能排除 • GRB高能光子是强子产生的吗? • 不支持,强子辐射效率低 • GRB能否产生高能中微子辐射? • 至今未探测到,不一定否定GRB是UHECRs的源:还与GRB激波辐射区的位置有关 王祥玉 南京大学天文系
Multi-messenger observation era • Cosmic Rays-- Pierre Auger South, North, JEM-EUSO… • Photons– Fermi, HESS, CTA… • Neutrinos--Icecube, KM^3, ANITA… • Optical/X-ray-- Swift, SVOM… 王祥玉 南京大学天文系