Sulla natura e l’ origine del ginocchio e della caviglia nello spettro dei raggi

cosmici Antonio Codino

Dipartemento di Fisica e INFNdell'Università degli Studi di Perugia, Italia

Sommario

Alcune caratteristiche quantitative riguardanti il ginocchio e la caviglia.

Osservazioni radioastronomiche e astronomiche che foggiano

le proprietà dei raggi cosmici galattici. L’ origine e la natura dei ginocchi e delle caviglie dei singoli ioni. Confronto tra spettri calcolati e misurati del protoni, elio,

CNO e ferro intorno alle energie dei ginocchi. Confronto tra spettro calcolato e misurato della radiazione

cosmica (spettro di tutte le particelle) dal ginocchio alla caviglia.

Evidenza che il ginocchio e la caviglia sono prodotti dagli stessi meccanismi

Conclusioni e commenti.

Tema del seminario è descritto nei seguenti lavori in collaborazione con Francois Plouin

L’ origine della caviglia

L’ unico meccanismo che genera il ginocchio e la caviglia nella zona galattica locale

Bacini galattici di elio e ferro intorno alle energie del ginocchio

Sono stati diffusi sulla rete informatica di astrofisica circa due mesi fa

Position of the sources in the Galaxy

Asymmetries in the arrival directions of the cosmic rays

Galactic wind

Method of calculation

Grammage

The solution of the knee and ankle problem

Spiral magnetic field

Cosmic ray trajectories in the disk

Brunetti & Codino, ApJ, 2000, 528, 789

Brunetti & Codino, ApJ, 2000, 528, 789

Traiettorie dei raggi cosmici nella Galassia

parametri ulteriori

La densità della materia interstellare ha un valore medio di un atomo per cm3, aumentata a 1,24 atomi per cm3 per

tener conto degli elementi pesanti.

Viene utilizzata una distribuzione uniforme delle sorgenti con equazione:

Q(r,z,l)=C(r-R)N(,z)N(,z) è una distribuzione gaussiana con deviazione standard

di 80 parsec nella direzione z ( quindi una distribuzione smussata in z per evitare una caduta a gradino, non fisica, in z ).

Codino & Plouin ApJ, 2006, 639, 173

Reference Frame Bound to the Spiral Field

g il grammaggio (g/cm2) è la colonna di gas spazzata dai raggi cosmici.

g = mHnHLDLD lunghezza della traiettorianH numero di atomi per centimetro cm3

mH massa dell’ atomo medio interstellare

LD = vd sd Vd numero di inversioni di moto

Sd spessore fisico del disco

= A / ( g NA)

Sd

How cosmic-ray trajectories are determined

• Corsa – The algorithms described in this presentation (12 years old,

first publication 1995 )

• Mariposa – It is a new code for the simulation of cosmic-ray trajectories

adopting :• Large simulation volume about 400 kpc ( half way from Andromeda galaxy )• Supernovae source distribution, etc etc. • Chaotic magnetic field described by Kolmogorov, Kraichnan and other

spectra of magnetic inhomogeneities.• A quite recent code (2005), at the stage of developement.

Illuminando la Galassia con un fascio di ioni emesso dalla Terra e contando il numero di collisioni nucleari nel disco.

Collisioni nucleari Codino & Plouin, ApJ 2006

Abbondanze degli ioni e indici spettrali

Nei grafici precedenti, per scopi di calcolo, le sorgenti galattiche dei singoli ioni avevavo la stessa potenza, le stesse abbondanze, che ovviamente, è un’ ipotesi irreale.

Iniettando lo stesso numero di ioni per tutte le energie, come si è fatto per tutti i risultati appena mostrati, è equivalente ad assumere indici spettrali piatti, which is unphysical.

Per comparare i risultati del calcolo ai dati sperimentali è necessario considerare le abbondanze degli ioni e gli indici spettrali dei singoli ioni.

Ion abundances and spectral indices

The spectral indices of single cosmic rays measured by the experiments below 1015 eV and ion abundances as well, are important inputs in the evaluation of the energy spectra above 1015 eV.

Relative abundances of cosmic ions at low energies(below the knee energy)

Ion Blend inspired by the Atic experiment

IonComposition

(%)Spectral

index

H 35,6 2.61

He 33,1 2.53

CNO 15,5 2.60

Ne-S 9,2 2.60

Fe (17-26) 6,2 2.50

Ca 0.1 2.60

Ipotesi sugli indici spettrali

Si fa l’ ipotesi che i valori degli indici spettrali dei singoli ioni

adoperati nel calcolo siano costanti sull’ intero intervallo di energia da alcuni GeV sino a 1021 eV.

Pertanto, non vi è

nessun aggiustamento ad hoc né alcuna arbitrarietà una volta che indici e abbondanze

ioniche sono assegnate ad una solo valore dell’ energia nell’ intervallo 1 GeV 1021 eV.

Non si fa distinzione tra indici spectrali alle sorgenti e indici spettrali misurati dagli esperimenti nel sistema solare.

Relative abundances of cosmic ions at low energies(below the knee energy)

BLEND 3 (VULCANO paper) – Energy = 2 x 1015 eV

IonComposition

(%)Spectral

index

H 19,6 2.72

He 35,5 2.72

CNO 14,0 2.65

Ne-S 12,0 2.65

Fe (17-26) 17,8 2.50

Ca 0.1 2.60

The ankle

The extragalactic component

Assume that a significant amount of the extragalactic component of cosmic rays reach the local galactic zone, at some energy. Let us suppose that :

the relative abundances of the extragalactic cosmic ions in the intergalactic space are similar to those overflowing from the

Milky Way Galaxy ;

the extragalactic cosmic rays entering the Milky Way Galaxy encounter the same structures of magnetic fields and interstellar matter as do galactic cosmic rays.

Cosmic rays entering the Milky Way

Cosmic ray overflowing the Galaxy

Relative abundances of cosmic ions at low energies(below the knee energy)

BLEND 2 ( VULCANO paper) – Energy = 2 x 1015 eV

IonComposition

(%)Spectral

index

H 37,9 2.74

He 27,4 2.72

CNO 10,8 2.65

Ne-S 9,3 2.65

Fe (17-26) 13,8 2.60

Ca 0.8 2.60

The position of the anklerelative to that of the knee

The position of the ankle along the energy axis is unambiguously bound to the knee energy of the same ion. The energy at which the rectilinear propagation sets on is an unmistakeable, distinctive, useful sign in order to identify the ankle and to determine quantitatively its features, because the average magnetic field strength in the disk is known.

Major ankle features : position along the energy axis and enhancement of the intensity above the intensity minimum at 5 1018 eV (we call ankle magnitude).

In my opinion, a cross-check that this explanation of the knee and the ankle is correct comes from the extragalactic (or extradisc) component of the cosmic radiation as reported in in the following.

s

Galactic Galactic cosmic rayscosmic rays

ExtragalacticExtragalacticcosmic rayscosmic rays

N(0)N(s)=N(0)/eg

g=mHnHL

Solar cavity

Solar cavitydisc halo

s

a

N(sa)=N(0)/eg+ga)

ga= halo grammage

= cross sectiong = grammageL = trajectory length

Galactic sourcesGalactic sources Extragalactic sourcesExtragalactic sources

Solar cavity

IeIg

E=1013 eV

E=1016 eV

E=1017 eV

E=1018 eV

L’ energia a cui s’ instaura la propagazione rettilinea

L’ energia a cui s’ instaura la propagazione rettilinea è di 4 x 1018 eV l’ elio, come mostrato nel grafico precedente, e di 5 x 1019 eV per il ferro.

Vi è accordo tra i risultati dei calcoli e dati sperimentali su:

(1) Il ginocchio dei protoni ( Esperimento Kascade)

(2) Il ginocchio dell’ elio (Kascade)

(3) Il ginocchio del gruppo CNO (Kascade)

(4) Lo spettro del ferro che ha approssimativamente l’ indice

di 2.6 da 1015 eV a 1017 eV

(secondo le misure degli esperimenti Eas-top e Kascade).

A tutt’ oggi, il ginocchio del ferro non è stato ancora osservato.

(5) Lo spettro completo nell’ intervallo 1014 to 1019 eV

nonché la pendenza di 3.0 oltre 6 1015 eV.

(6) La ricrescita relativa d’ intesità nello spettro completo

oltre il minimo di intensità a 5-6 1018 eV (ampiezza della caviglia).

Conclusions (2)Assuming the existence of an extragalactic component in the intergalactic space surrounding the Milky Way, it is interesting to determine its intensity at Earth.

This extragalactic component might be conceived in a variety of forms like :

(a) Debris from normal galaxies in the cosmic vicinity (e.g. 40 Mpc)

(b) Debris from powerful galaxies. (c) Reentrant particles overflowed from the Milky Way (extradisc

component). (d) Cosmic ray populations re-accelerated in the intergalactic

space.Whatever may be the ion abundances populating the intergalactic space (within the plausible limits bound to the experimental data at Earth), there exists a particular energy interval along the energy axis where the extragactic component must have a maximum of intensity.

Conclusioni (3)

Le posizioni delle caviglie e dei ginocchi lungo l’ asse dell’ energia sono interconnesse

in modo molto caratteristico dall’ intensità e forma del campo magnetico che determina il grammaggio, e dalle sezioni d’ urto nucleari, che crescono con l’ energia.

A nostra conoscenza, questo nesso tra ginocchi e caviglie è un risultato completamente nuovo

e corrobora ulteriormente la spiegazione degli spettri in energia dei singoli ioni.

On the origin of the ankles

Why the ankles of individual ions exist The position of the ankle along the energy axis of

the complete spectrum at 5 x 1018 eV is correctly

accounted for.

The slope of the cosmic ray spectrum between 1015 and 5 1018 eV and the the position of the ankle.

The bump in the complete spectrum, around 5 1019 eV.

Evidence that the knee and ankle are produced by the same mechanism.

Codino & Plouin, ApJ, 2006, 639, 173

The knees in terms of galactic basins

• The concept of galactic basin is similar to that of a terrestrial basin, peculiar of a river, with all the caveats inherent to any analogy.

• As the energy increases the dimension of the galactic basins become larger and larger. When the size of a galactic basin approaches the disk size, there is a decrease in the number of cosmic rays reaching the solar cavity: this is the knee in terms of Galactic basins.

• The concept of “galactic basin” is described in (Codino & Plouin, ApJ, 2006, 639, 173) but, in this paper, the explanation of the

knees is not given.

The knees in terms of galactic basins

• Knee = position of the bend along the energy axis fall of the intensity after the bend ( spectral index)

The effect of the magnetic field is not enough to explain the origin of the knee. • What really matters ( once the magnetic field is aknowledged)

is : (1) the position of the solar cavity in the Galaxy; (2) the thickness of the disk ( finite disk thickness)• If the disk thickness would have been much higher than the actual value of 250 pc ( say, exagerating, 2000 pc) the position of the bend would remain unchanged but instead of a fall of intensity an enhancement of intensity would have been measured ( say, an anti-knee).

The explanation of the knees in terms of galactic basins: • Galactic basins of Helium and Iron around the knee energy

http://www.lnf.infn.it/sis/preprint/pdf/INFN-TC-06-5.pdf A. Codino and F. Plouin, februar 2006.

La componente extragalattica

Ammettiamo per semplicità che esista una componente extragalattica della radiazione cosmica che raggiunga la zona locale. Quindi supponiamo che:

le abbondanze relative degli ioni cosmici extragalattici siano le stesse dei raggi cosmici in uscita dalla Via Lattea

la componente extragalattica in ingresso alla Via Lattea incontri la medesima struttura di campi magnetici e di materia interstellare intercettate dai raggi cosmici galattici.

Cosmici in entrata alla Via Lattea

Cosmici in uscita