Very high energy cosmic gamma rays

Abstract

Collisions of high energy cosmic rays with intergalactic gas produce various secondaries, including neutral pions that decay into high energy γ rays. The Landau-Milekhin hydrodynamical model for proton-proton collisions is used to calculate the pion production spectrum corresponding to cosmic γ rays of energy above 10 Gev. A source function for these high energy γ rays in space is found by combining the pion production and decay spectra with the primary cosmic ray proton flux. The resulting γ ray spectrum follows a different power law than spectra based upon the usual assumption of a line spectrum for the pions in the center of mass system of the colliding protons. The high energy γ ray intensity in space is calculated for a simple model universe. By comparison with previous estimates for the proton photoproduction process, it is found that proton-proton and proton-photon collisions appear to contribute about the same order of magnitude to the intergalactic γ ray intensity above ∼10¹⁶ eV.

Les collisions entre les particules de grande énergie du rayonnement cosmique et le gaz interstellaire produisent des rayonnements secondaires variés, dont des pions neutres qui se dégradent en rayons γ très énergétiques. On emploie le modèle hydrodynamique de Landau-Milekhin des chocs proton-proton pour calculer le spectre des pions produits qui correspondent à des rayons γ cosmiques d'énergie supérieure à 10 GeV. On obtient une fonction-source pour ces rayons en combinant les spectres de production et de dégradation des pions avec les données sur le flux de proton du rayonnement cosmique primaire. Le spectre γ résultant n'obéit pas à la même loi de puissance que les spectres déduits de l'hypothese usuelle d'une raie unique pour les pions dans le système du centre de masse des deux protons. L'intensité des rayons γ énergétiques dans l'espace est calculée à partir d'un modèle simple d'Univers. On compare les résultats à des estimations plus anciennes de la photoproduction des protons et l'on trouve que, les chocs proton-proton et proton-photon semblent contribuer de façon sensiblement égale à l'intensité du rayonnement γ intergalactique d'énergie supérieure à 10¹⁵ eV.

Резюме

Столкновения между частицами космического излучения большой энергии и межзвездным газом порождают различные вторичные излучения, среди которых нейтральные пионы переходящие в очень энергетические лучи γ. Применена гидродинамическая модель соударений про- тонпротоц Ландау-Милехина для вычисления спектра порожданных пионов, соответствующих космическим лучам γ с энергией превышающей 10 гэв. Получена функция-источник для этих лучей, комбинируя спектры образованиям распада пионов с данными о протонном потоке первичного космического излучения. Вытекающий спекть не удовлетворяет тому же степенному закону, что спектры выведенные из обычной гипотезы единственной линии для пионов в системе центра массы из двух протонов. Интенсивность энергетических лучей γ в пространстве вычислена исходя из простой модели Вселенной.

Результаты сравнены с более давними оценками фотопорождения протонов и найдено, что соударения протон-протон и протон-фотон повидимому участвую в довольно равной мере в интенсивности межгалактического излучения γ с энергией превышающей 10¹⁵ эв.