Suppressed diffusion around cosmic ray sources and impact on galactic propagation

Jacobs, Hanno; Mertsch, Philipp; Wiebusch, Christopher

doi:43470

Suppressed diffusion around cosmic ray sources and impact on galactic propagation = Unterdrückte Diffusion um Quellen Kosmischer Strahlung und Auswirkungen auf die Galaktische Propagation

Jacobs, Hanno^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hanno Jacobs M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mertsch, Philipp (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06343
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/988659/files/988659.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 490751943 - Kosmische Strahlung im sehr lokalen interstellaren Medium (490751943) (490751943)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Beobachtungen unternommen die zeigen, dass die Erde von hoch energetischen, geladenen Teilchen aus dem Weltall bombardiert wird. Der Großteil besteht aus Protonen, aber auch schwereren Elemente und Anti-Teilchen. Das Spectrum entspricht über viele Größenordnungen von GeV bis EeV einem Potenzgesetz. Bei GeV Energien ist die Ankunftsrichtung nahezu isotrop, da geladene Teilchen durch die turbulenten Magnetfelder abgelenkt werden. Daher ist es nicht möglich aus der Ankunftsrichtung der Teilchen auf deren Ursprung zu schließen. Durch die relativen Häufigkeiten verschiedener Atome ist es möglich zu zeigen, dass die Teilchen sich diffusiv durch die Galaxy bewegen müssen. Die Parameter aus den Modellen, die den Transport in der Galaxy beschreiben, sind daher ein galaktischer Durchschnitt. Zusätzlich zu diesen geladenen Teilchen werden $\gamma$-Strahlung gemessen. Diese werden durch kosmische Strahlung in der Galaxie produziert und propagieren danach ballistisch zu uns. Damit lassen sich ortsabhängige Teilchendichten in der Galaxie messen. Beobachtungen in der Nähe potenzieller Quellen weisen auf reduzierte Diffusion in diesen Regionen hin. Dies ist ein Hinweis für nicht homogene Bedingungen in der Galaxie. In dieser Arbeit untersuchen wir, ob die Teilchen selber reduzierte Diffusion verursachen. Die grundlegende Idee dahinter ist, dass der räumliche Gradient der Teilchendichte in der Nähe der Quellen die resonante Strömungsinstabilität hervorruft, die magnetische Turbulenz produziert, an der die Teilchen abgelenkt werden. Wir untersuchen diesen Prozess um Supernovaüberreste herum, indem wir existierende Modelle zu Energien unterhalb von $10\,\mathrm{GeV}$ erweitern und die Kaskade der Turbulenz berücksichtigen. Damit sind wir in der Lage zu zeigen, dass der Diffusionskoeffizient für $1\,\mathrm{Myr}$ unterdrückt ist. Um Beobachtungen in der Umgebung von Pulsaren zu erklären reproduzieren wir existierende Arbeiten und zeigen, dass die Effektivität der Strömungsinstabilität stark vom großskaligen Magnetfeld abhängt. Auch im optimistischsten Fall ist es nicht möglich die Morphologie der gemessenen $\gamma$-Strahlung so zu erklären. Daraus schließen wir, dass weitere Mechanismen eine Rolle spielen müssen. Zusätzlich untersuchen wir den Einfluss der Zonen reduzierter Diffusion auf Messungen hadronischer Teilchen. Dazu entwickeln wir ein halbanalytisches Zwei-Zonen-Model der Galaxie mit reduzierter Diffusion in der galaktischen Scheibe verglichen mit dem Halo. Wenn instabile Teilchen länger in der Scheibe verweilen, wird das gemessene Verhältnis von instabilen zu stabilen Teilchen steigen. Wir zeigen, dass neue AMS-02 $\mathrm{^{10}Be/^9Be}$ Daten unser Modell bestätigen können. Für den Fall, dass die unterdrückte Diffusion in der Scheibe durch einzelne Zonen verursacht wird, bestimmen wir den Volumenanteil mit stochastischen Differenzialgleichungen. Schlussendlich gehen wir noch auf den Einfluss verschiedener Parameterisierungen der Spallationswirkungsquerschnitte ein.

At the beginning of the 20th century a variety of observations found that the Earth is constantly bombarded by charged high energy particles from space. These cosmic rays mainly consist of protons, but also contain heavier elements. Over a large range in energy from MeV to EeV they resemble a power law. At GeV energies their arrival directions are nearly isotropic, since charged particles get deflected in the turbulent magnetic fields in the Galaxy. This prevents a direct tracking of the particles back to their sources. From the ratios of hadronic cosmic rays it is possible to deduce that particles must propagate diffusively throughout the Galaxy. Thereby, the parameters of models we fit to these data are galactic averages. In contrast, high energy $\gamma$-rays are produced by cosmic rays and directly point back to their origin. With this it is possible to indirectly probe the distribution of comic rays within the Galaxy. Recent observations of $\gamma$-rays around pulsars and supernova remnants, both potential sources, indicate that diffusion in these regions is more than two orders of magnitude lower than in the galactic average. This indicates that the conditions within the Galaxy are far from homogeneous. In this thesis, we investigate whether cosmic rays themselves can produce the suppressed diffusion. The basic idea is that in the vicinity of the source the strong spatial gradient of the cosmic ray density gives rise to the resonant streaming-instability. This produces magnetic waves upon which they scatter, a process called self-confinement. We make use of finite-difference codes to investigate the surroundings of supernova remnants. We extend existing models below $10\,\mathrm{GeV}$ and show that suppressed diffusion can exist for up to $1\,\mathrm{Myr}$ after the supernova. The same mechanism was proposed to explain TeV-$\gamma$-ray-halos around pulsars. We implement the cascade of turbulence in existing models and show that the effectivity of the streaming-instability crucially depends on the large scale magnetic field. Our calculations indicate, that the streaming instability alone is not able to explain the observations around the pulsar Geminga. Additionally, we investigate the effects of suppressed diffusion in the galactic disk on hadronic cosmic ray ratios. The basic idea is that unstable particles are confined within the disk for longer if the diffusion coefficient is smaller. Then, the ratio of unstable to stable nuclei is increased compared to standard predictions. We develop a semi-analytical two-zone model of the Galaxy with a reduced diffusion coefficient in the galactic disk compared to the galactic halo and show that this model can be constrained by recent AMS-02 $\mathrm{^{10}Be/^9Be}$ data. For the case that the diffusion coefficient in the disk represents an average over zones of low and high diffusion, we investigate the filling fraction of the suppression zones with stochastic differential equations. Finally, we highlight the impact of different spallation cross-section parametrisations on our findings.

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