[論文レビュー] A search for outstanding sources of PeV cosmic rays: Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring--But how about M33 and the Virgo cluster?

Г. В. Куликов, M. Yu. Zotov|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、モスクワ州立大学のEAS–1000プロトタイプアレイから得られた140万件の広範な大気シャワー（0.1–10 PeV）の到着方向を分析し、恒星時および方位角のバイアスを補正する反復アルゴリズムを適用した。3σ以上の有意水準で宇宙線フラックスの過剰領域が複数個所で特定され、カシオペアA、カブレネブリュラ、モノジェムリングなどの銀河系超新星残骸（SNR）、パルサー、イオン化水素領域と強く相関していた。一方で、M33およびバービオ銀河団のような銀河系外寄与の可能性も示された。

ABSTRACT

We study arrival directions of 1.4x10^6 extensive air showers (EAS) registered with the EAS--1000 Prototype Array in the energy range 0.1--10 PeV. By applying an iterative algorithm that provides uniform distribution of the data with respect to sidereal time and azimuthal angles, we find a number of zones with excessive flux of cosmic rays (CRs) at >=3 sigma level. We compare locations of the zones with positions of galactic supernova remnants (SNRs), pulsars, open star clusters, and regions of ionized hydrogen and find remarkable coincidences, which may witness in favour of the hypothesis that certain objects of these types, including the SNRs Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring and some other, provide a noticeable contribution to the flux of CRs in the PeV range of energies. In addition, we find certain signs of a contribution from the M33 galaxy and a number of comparatively nearby groups of active galactic nuclei and interacting galaxies, in particular those in the Virgo cluster of galaxies. The results also provide some hints for a search of possible sources of ultra-high energy (UHE) cosmic rays and support an earlier idea that a part of both UHE and PeV CRs may originate from the same astrophysical objects.

研究の動機と目的

• 広範な広範な大気シャワーのデータセットを用いて、PeV宇宙線の到着方向の非一様性を分析し、PeV宇宙線の起源を調査すること。
• 特定の銀河系天体（超新星残骸やパルサーなど）がPeV宇宙線フラックスに顕著に寄与しているという仮説を検証すること。
• 特に近隣銀河やバービオ銀河団のようなM33やバービオ銀河団のような銀河系外寄与が、PeV宇宙線フラックスに寄与している可能性を検討すること。
• PeV宇宙線の過剰領域と超高エネルギー宇宙線（UHECR）の到着方向との間の相関関係を調査し、共通の源に関する知見を得ること。
• 単一の天体的メカニズムや源タイプが、PeV宇宙線とEeV宇宙線の両方の起源を説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• モスクワ州立大学のEAS–1000プロトタイプアレイから得られた、エネルギー0.1–10 PeVの1,366,010件の広範な大気シャワー（EAS）データセットを用いた。
• 恒星時および方位角によるデータ分布の非一様性を補正する反復アルゴリズムを適用し、天の川全域にわたる露出が均一になるようにした。
• 統計的クラスタリングと有意水準検定を用いて、3σ以上の有意水準で宇宙線フラックス過剰領域（ZEF）を同定した。
• ZEFの位置を、銀河系超新星残骸（SNR）、パルサー、開放星団、OB連星、HII領域、および銀河系外天体（AGN、相互作用銀河）と照合した。
• AGASAアレイのUHECR到着方向とZEFの位置を比較し、空間的一致の有無を調査した。
• モンテカルロシミュレーション（計画中）を用いて、検出された過剰領域の有意水準を検証し、系統的バイアスを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PeV宇宙線の到着方向に、局所的な天体的源を示す顕著な非一様性が存在するか？
• RQ2 カシオペアA、カブレネブリュラ、モノジェムリングSNRといった既知の銀河系源が、PeVエネルギー領域で測定可能なフラックス過剰を示すか？
• RQ3 M33やバービオ銀河団のような銀河系外源が、距離の遠さを考慮してもPeV宇宙線フラックスに寄与している可能性はあるか？
• RQ4 PeV宇宙線の過剰領域と、4×10¹⁹ eV以上の超高エネルギー宇宙線（UHECR）の到着方向との間に空間的相関があるか？
• RQ5 統一された起源モデルによって、PeV宇宙線とEeV宇宙線の両方の起源を、共通の天体的源やメカニズムで説明できるか？

主な発見

• 3σ以上の有意水準で複数の宇宙線フラックス過剰領域（ZEF）が特定され、主に銀河系構造および既知の源と一致していた。
• ZEFと既知の銀河系PeV宇宙線候補（カシオペアA、カブレネブリュラ、モノジェムリングSNR）との間で強い相関が確認され、ChilingarianらおよびBenkőらの報告を裏付けた。
• 近隣の銀河系天体が存在しないZEFの一つはM33銀河を含んでおり、少なくとも一部のPeVフラックスが銀河系外由来である可能性を示唆している。
• 残りの大多数のZEFは、z < 0.01の近隣の活動銀河核（AGN）および相互作用銀河と関連しており、特にバービオ銀河団内に集中していた。
• AGASAデータのUHECR到着方向と複数のZEFとの間に空間的一致が観測され、PeV宇宙線とEeV宇宙線の共通の起源の可能性を支持する。
• 結果から、PeV宇宙線の二重起源（SNRおよびパルサー由来の銀河系成分と、中性粒子または低磁場経路を介する銀河系外成分）の可能性が示唆された。