关于超高能宇宙射线的天体物理解

我们认为超高能宇宙射线（UHECR）问题的天体物理解是可行的。我们以模型无关的方式计算了河外质子与宇宙微波背景（CMB）相互作用的光谱特征。仅使用幂律产生谱 $\propto E^{-\gamma_g}$ 作为唯一假设，我们分析了质子谱的四个特征：GZK截断、凹陷（dip）、鼓包（bump）和第二个凹陷。我们发现由CMB上的电子-正电子产生所诱导的凹陷是最稳健的特征，存在于 $1\times 10^{18} - 4\times 10^{19}$ eV 的能量范围内。其形状相对于计算中包含的各种现象是稳定的。该凹陷被AGASA、HiRes、Fly's Eye和Yakutsk探测器的观测很好地证实。最佳拟合在 $\gamma_g =2.7$ 时达到，允许范围为2.55 - 2.75。该凹陷被用于探测器的能量校准。能量校准后，所有三个探测器的通量和光谱完美吻合，AGASA和HiRes在 $E> 1\times 10^{20}$ eV 处的差异在统计上不显著。凹陷与观测的吻合应被视为超高能质子与CMB相互作用的确认。该凹陷有两个展平。在 $E \approx 1\times 10^{19}$ eV 处的高能展平自动解释了“踝”（ankle）。在 $E \approx 1\times 10^{18}$ eV 处的低能展平提供了向银河宇宙射线的过渡。我们对这种过渡进行了定量研究。我们以模型依赖的方式研究了UHECR源，即活动星系核（AGN）和伽马射线暴（GRBs），并讨论了加速机制。基于凹陷与现有数据的一致性，我们对Auger探测器在不久的将来将在 $1\times 10^{18} - 1\times 10^{20}$ eV 范围内测量的光谱做出了稳健的预测。