[論文レビュー] A New Limit on the Distances of Nuclei UHECRs Sources

Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|May 18, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、GZKカットオフを超える超高エネルギー宇宙線（UHECRs）が主に鉄核である場合、光分解と磁場による偏光の影響により、その伝播距離は数メガパーセクに制限されることを主張している。この状況下で、この距離圏内にある最近の活動銀河核であるケネウス座銀河（Cen A）が支配的源となり、その方向性が磁場によって消失することで、観測されたUHECRの等方性が説明できる。

ABSTRACT

Recent evidence from the Pierre Auger Observatory suggests a transition, at 5 EeV-10EeV in the composition of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs), from protons to heavier nuclei such as iron. I consider here the implications of the heavier composition on the sources of UHECRs. The smaller magnetic rigidity implies that nuclei UHECRs are: (i) More easily accelerated (ii) Local, as they can diffuse only a few Mpc from their sources before disintegrating (iii) Isotropic, because large deflections in the extra galactic and the galactic magnetic fields erase the directional information. Uncertainties in the strength and structure of the the extra galactic magnetic field (EGMF) makes it difficult to estimate the overall effects. However, with typical reasonable parameters of a few nG and a coherence distance of a Mpc the distance a nuclei UHECR above the GZK energy traverses before photodisintegrating is only a few Mpc. In spite of the significantly weaker limits on the luminosity, Cen A is the only currently active potential source of nuclei UHECRs within this distance. The large deflections erases the directional anisotropy expected from a single source. If indeed the composition of above-GZK-UHECRs is iron and if the EGMF is not too small then Cen A is the dominant source of observed nuclei UHECRs above the GZK limit.

研究の動機と目的

• ピエール・オーリューブ・オブザーバトリが示唆する5–10 EeV以上のUHECRにおける鉄成分への遷移が及える影響を調査すること。
• 鉄核の電荷と質量の増加が、プロトンと比較して加速および伝播に与える影響を評価すること。
• 現実的な銀河間および銀河内磁場条件の下で、鉄核UHECRの最大到達距離を特定すること。
• 鉄成分が確認された場合、ケネウス座銀河（Cen A）が観測された鉄UHECRの支配的源である可能性を評価すること。
• 磁場による偏光効果によって、近くの強い源（Cen A）が存在するにもかかわらず、UHECRの観測された等方性を説明すること。

提案手法

• 宇宙マイクロ波背景（CMB）における鉄核の光分解時間スケールを用いて、崩壊前に到達可能な最大伝播距離を推定する。
• GZKカットオフエネルギー閾値（約50 EeV）とエネルギー依存の光分解断面積を適用し、鉄核の平均自由行程を計算する。
• 典型的な値（3–5 nG、1 Mpc）を仮定して、銀河間磁場（EGMF）のコherency長と強度を用いて最大源距離を推定する。
• 特にCen Aを対象として、活性銀河核（AGNs）における加速のための磁気剛性とシンクロトロン損失の制約を評価する。
• 拡散モデルを用いて、銀河間および銀河内磁場における鉄核の偏光を解析し、観測されたUHECR到達方向の非等方性と比較する。
• 注入率および効率係数を用いて、Cen AにおけるUHECR生成の光度要件と観測されたUHECRフラックスを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBにおける光分解によって、GZKエネルギーを超える鉄核UHECRがどれだけの距離まで伝播できるか？
• RQ2 鉄核の磁気剛性および加速制約は、潜在的UHECR源におけるプロトンとどのように異なるか？
• RQ3 UHECRの観測された等方性を考慮すると、鉄成分が確認された場合、Cen Aのような単一の支配的源がデータと整合するか？
• RQ4 銀河間磁場（EGMF）は、鉄UHECR源の観測可能距離をどのように制限するか？
• RQ5 典型的なEGMFパラメータを仮定した場合、GZK距離圏内ではCen Aが鉄UHECRの唯一の妥当な源であるか？

主な発見

• CMBにおける光分解のため、GZKエネルギーを超える鉄UHECRの最大伝播距離は、典型的なEGMF条件（約3–5 nG、1 Mpcコherency長）下でも数メガパーセク（Mpc）に制限される。
• Cen Aは3.8 ± 0.1 Mpcの距離に位置し、この距離圏内に存在する唯一の現在活動中の明るい源であるため、鉄UHECR生成の支配的候補である。
• 銀河間および銀河内磁場における磁場偏光は、大きさが1程度のオーダーで予想され、方向性情報が消失し、近くの源が存在するにもかかわらずUHECRの観測された等方性が説明できる。
• 観測されたUHECRフラックス（約0.45 × 10⁴⁵ erg/Mpc³/yr）は、Cen Aが唯一の源である場合でも、鉄核加速効率が低くても一致する。
• Cen Aでは、シンクロトロン放射の理論的制約および粒子エネルギー損失の制約が容易に満たされ、そのUHECR源としての妥当性が支持される。
• シミュレーションにより、典型的なEGMF条件（鉄核の換算で約50 nG）下では、Cen Aからの鉄UHECRが等方性を示すことが確認され、観測と整合する。