Download ppt - Kosmičko zračenje: Problem litijuma i difuznog gama-zračenja

Tijana Tijana ProdanovićProdanovićPMF, Univerzitet u Novom SaduPMF, Univerzitet u Novom Sadu

Brian D. Fields, UIUCJohn F. Beacom, OSU

Astronomija, Univerzitet u Beogradu

Kosmičko zračenje:Kosmičko zračenje:Problem litijuma i Problem litijuma i

difuznog gama-zračenja difuznog gama-zračenja

Novembar, 2006.

Tijana Prodanović Univerzitet u Beogradu, 21. 11. 2006.

2

Sadržaj Sadržaj Kosmičko zračenje: uvod Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum Problem litijuma-7: WMAP

BBN teorijaBBN teorija > > posmatranjaposmatranja Problem litijuma-6: nova merenja

Teorija kosmičkih zrakaTeorija kosmičkih zraka < < posmatranjaposmatranja Problem gama zračenja: nova merenja

TeV TeV višak?višak? Zaključak


3

Kosmičko zračenje (CR)Kosmičko zračenje (CR) Visokoenergetske naelektrisane

čestice Ubrzane u astrofizičkim šokovima

ako je prisutno bar malo magnetno polje (CR spektar, jak šok: Flux~E-2 )

Bilo koji izvor šoka je kandidat! (Blandford & Eichler 1987)

Supernova ostatci (SNR) galaktičko kosmičko zračenje (GCR) Šokovi formacije struktura kosmičko zračenje

formacije struktura (Inoue, Kang, Miniati)

VLA , Tycho SNR Reynolds & Chevalier


4

Interakcijske observable Interakcijske observable hadronskoghadronskog kosmičkog zračenja kosmičkog zračenja

...Li 7,6cr

LiBeBCNO, crcr p

0cr pppp

Gama zračenje

Litijum, Berilijum & Bor


5

Li-Li- konekcijakonekcija 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): lolokkalalnini CR fluks (fluence) Difuzno ekstragalaktičko : CR fluks (fluence) kroz kroz

svemir svemir Zadato jedno, ograničava drugo

0 pppp ismcr

...Li7,6 ismcr

crism yy ,,

1Li


6

Problemi LitijumaProblemi Litijuma 7Li poreklo: BBN + kosmičko zračenje Ali 6Li se proizvodi isključivo putem kosmičkog zračenja kroz

fuzione i spalacione reakcije. Litijum meren u zvezdama haloa (stare, malo ‘metala’) Plato i plato? Asplund et al. (2006)

NeočekivanoNeočekivano

metaličnost Sunce danas

Primordialan Li: teorija

time

Li6 LiCNO, 6p

Očekivano ali neusaglašenoOčekivano ali neusaglašeno


7

““Litijumski problem”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

Ali WMAP (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… Cyburt 2005 (private communication)

4He

D3He

7Li


8

Kosmički zraci formacije strukturaKosmički zraci formacije struktura 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 / kosmološko kosmičko 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


9

Litijum i kosmičko zračenje iz Litijum i kosmičko zračenje iz formacije strukturaformacije 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

0.43.0LiLi

,

BBNp

SFCR


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 vrlo malo ili uopšte nemaju prašinePoreklo:

Galactic fountain model (Shapiro & Field 1976)

Ekstragalaktičko Objekti Magellanic Stream tipa ili Gas koji je preostao posle formiranja Galaksije (Oort, Blitz , Braun)

Neki od ovih oblaka imaju metaličnost svega 10% od sunčeve

HVCs male metaličnosti sa malo prašine obećavaju kao bitne lokacije za testiranje pre-Galaksijskog litijuma i kosmičkog zračenja formacije struktura (Prodanović and Fields 2004b)


11

SadržajSadržaj Interakcije hadronskog kosmičkog zračenja: gama zračenje i litijum Problem litijuma-7

SFCRs SFCRs ga pogoršavajuga pogoršavaju HVCs: HVCs: novi pristupnovi pristup

Problem litijuma-6 Predviđanja iz kosmičkih zrakaPredviđanja iz kosmičkih zraka < < posmatranjaposmatranja

Problem gama zračenja TeV TeV višak?višak?

Zaključak


12

Problemi LitijumaProblemi Litijuma 7Li poreklo: BBN + kosmičko zračenje Ali 6Li se proizvodi isključivo putem kosmičkog zračenja kroz

fuzione i spalacione reakcije. Litijum meren u zvezdama haloa (stare, malo ‘metala’) Plato i plato? Asplund et al. (2006)

NeočekivanoNeočekivano

metaličnost Sunce danas

Primordialan Li: teorija

time

Li6 LiCNO, 6p

Očekivano ali neusaglašeno


13

Koliko dobro razumemoKoliko dobro razumemo 66Li?Li? Uobičajena pretpostavka: 6LiSolar nastao od GCR Ali nedavna posmatranja ukazuju na 6LiSolar plato? Skorije teorije: 6Li poreklo od raspada tamne

materije

Primeniti Li-gama vezu radi testiranja standardne teorije porekla 6Li iz nukleosinteze putem galaktičkog kosmičkog zračenja.

Asplund et al.(2006)


14

Galaktičko kosmičko zračenje iGalaktičko kosmičko zračenje i 66LiLi : : Prva procena (aproksimacije)

Li-gama veza: 6LiSolar zahteva

→

ali ukupno izmereno pozadinsko ekstragalaktično gama zračenje iznosi (Strong et al. 2004)

Detaljan model66LiLiGCRGCR ~ 0.45 ~ 0.45 66LiLitottot !!!!!!

112 srscm

5, 1022.3)GeV1.0( I

51011.1)GeV1.0( I

112 srscm


15

PosledicePosledice Svega ~ 50% solarnog 6Li može biti

objašnjeno pomoću galaktičkog kosmičkog zračenja bez da se proizvede previše gama zračenja.

Neophodan bitan novi izvor 6Li 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? Energetska i LiBeB ograničenja.


16



Problem litijuma-6 Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50% Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50%

solarnog litijuma-6solarnog litijuma-6 Problem gama zračenja

TeV TeV višak?višak? Zaključak


17

PionskoPionsko gama zračenja gama zračenja

“Pionski” gama zraci

Specifičan spektar – pionsko “ispupčenje” (pion ‘bump’); max na mπ/2 (Stecker 1971; Dermer 1986)

OOčekujemo da dominiračekujemo da dominira ali ali nnema jakih dokaza u ema jakih dokaza u spektrima za ovo pionsko ispupčenjespektrima za ovo pionsko ispupčenje

Koristiti oblik spektra (Pfrommer & Enßlin 2003) da se nađe max “pionski” udeo (Prodanović & Fields 2004)

0 pppp ismcr


18

GaGalaktičkolaktičko “ “ppiionskoonsko” ” gama zračenjegama zračenje EGRET: GeV domen Naći max “pionski” fluks

tako da “pion bump” ostaje ispod merenog galaktičkog spektra

Galaktički CRs: Max “pionski” udeo

Ali primetimo ostatak!

2.75GCRp E

GeV višak=Tamna materija??

Prodanović and Fields (2004a)

Brems/ICStrong et al. (2004)

%50obs/)(


19

Pionsko gama zračenjePionsko gama zračenje: : Novi pristupNovi 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


20

TeVTeV merenje difuznog galaktičkog gama merenje difuznog galaktičkog gama zračenjazračenja

75.2GCR )( EE

Prodanović, Fields & Beacom (2006)

61.2GCR )( EE

Milagro vodeni Čerenkovljev detektor

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?


21

Tačkasti izvori u Milagro regionuTačkasti izvori u Milagro regionu

• 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!

Prodanović, Fields & Beacom (2006)


22



Problem litijuma-6 Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50% Galaktički kosmički zraci doprinose svega ~50%

solarnog litijuma-6solarnog litijuma-6 Problem gama zračenja

TeV TeV višakvišak Prekid/prelom u spektru tačkastih izvoraPrekid/prelom u spektru tačkastih izvora

Zaključak


23

Uskoro nova merenjaUskoro 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


24

ZaključakZaključak 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!


25

KrajKraj