宇宙线的输运和加速

To detect signature of dark matter particle decay or annihilation via observations of high-energy cosmic rays (CRs), the astrophysical background of cosmic rays must be understood. Supernova remnants (SNRs) have been considered the dominant contributor to Galactic CRs. High-energy particles accelerated by SNRs can reach Earth and become cosmic rays. The transport process of CRs from their source regions to Earth is usually studied with the diffusion-convection equation with extra terms associated with particle energy loss, secondary acceleration etc. added for specific modeling. The classical diffusive shock particle acceleration theory is also based on this equation. However, numerical studies of cosmic ray trajectories in a turbulent background reveal sub- or super-diffusions which cannot be incorporated in the classical diffusion convection equation properly. We will explore the characteristics of CR transport via extensive numerical simulations. With results from numerical simulations, we will use multi-wavelength observations of SNRs and measurement of fine structures in cosmic ray energy spectra to have a systematic investigation of processes of particle acceleration in SNRs and to quantify their contributions to galactic CRs. These researches will play a key role in addressing the origin of galactic CRs and in probing dark matter particles via observations of high-energy radiations in space.

通过对高能宇宙线的观测间接探测暗物质粒子衰变或湮灭信号的一个关键环节是准确理解宇宙线的天体物理学背景。超新星遗迹被认为是银河系宇宙线的主要加速源，这些被超新星遗迹加速的高能粒子通过输运过程到达地球附近而成为宇宙线。这个输运过程通常用对流扩散方程来定量描述，结合实际观测和有关物理过程，人们还引入了能损、二阶加速等额外项，这些方程也是经典扩散激波粒子加速理论的基础。但是近些年针对高能宇宙线在湍动电磁场中的运动的数值模拟表明，粒子的轨道特点表现出超扩散或亚扩散等特征，经典的扩散方程在准确描述宇宙线输运方面存在不足。我们将通过数值模拟进一步澄清宇宙线的输运特征；利用相关结果，我们将结合超新星遗迹的多波段观测以及宇宙线能谱精细结构的测量，系统地研究超新星遗迹中的粒子加速过程并定量分析它们对银河系宇宙线的贡献。这些工作对于解决银河系宇宙线的起源问题以及通过空间高能探测研究暗物质粒子具有重要意义。

通过对高能宇宙线的观测间接探测暗物质粒子衰变或湮灭信号的一个关键环节是准确理解宇宙线的天体物理学起源。超新星遗迹和脉冲星风云被认为是银河系宇宙线的主要加速源，这些被加速的高能粒子通过输运过程到达地球附近而成为宇宙线。这个输运过程通常用对流扩散方程来定量描述，结合实际观测和有关物理环境，人们还引入了能损、二阶加速等额外项，这些方程也是经典扩散激波粒子加速理论的基础。通过分析超新星遗迹的多波段观测特征，我们总结了其中高能粒子能量分布函数的演化规律,发现超新星遗迹中电子能谱分布高能截断的演化可以分为三个阶段:加速、辐射和逃逸，并且激波加速粒子的最大能量随着激波的演化而降低。因此GeV宇宙线主要来自于和分子云相互作用的超新星遗迹而TeV宇宙线主要来自于比较年轻的超新星遗迹，并且有迹象表明超新星遗迹最多可以把宇宙线加速到百TeV量级。这些结果和经典的扩散激波粒子加速理论的预期基本一致。在百TeV以上，脉冲星风云是重要的伽玛射线源，对脉冲星风云的多波段分析表明其中高能粒子慢扩散的现象普遍存在。通过详细分析磁偶极场中带电粒子运动轨道的特征，我们发现沿着磁力线运动的粒子通常具有混沌轨道而垂直于磁力线运动的粒子则可以维持相对简单的准周期运动。这些特征都有可能导致慢扩散，其在高能天文观测中的应用有待进一步拓展。另外通过对高能电子输运性质的分析，我们发现脉冲星风云对百GeV电子宇宙线有重要贡献并且暗物质粒子探测卫星（DAMPE）观测到的1.4TeV附近的电子能谱超出很可能由脉冲星PSR J0855-4644对宇宙线电子的贡献主导。DAMPE已有的观测结果都可以用超新星遗迹和脉冲星风云中的粒子加速过程来解释，要通过对宇宙线的观测来间接探测暗物质粒子不仅需要更高质量的观测数据，还需要结合多信使观测，特别是中微子观测，在更宽的能量范围发现反常天文物理现象。建设中的高海拔宇宙线观测站有可能在这些方面取得突破性成果。