[論文レビュー] Can Experiments Studying Ultrahigh Energy Cosmic Rays Measure the Evolution of the Sources?

D. R. Bergman, G. B. Thomson+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z ≈ 1.6 における銀河間源（QSO や AGN など）の進化における途切れが、約 10^17.6 eV の超高エネルギー宇宙線スペクトルにおける第二のひざに反映されている可能性を提案している。CMB との相互作用によるエネルギー損失と宇宙の膨張に起因するエネルギー-赤方偏移相関により、これらの源における発光度進化の途切れは、宇宙線フラックスにおけるスペクトル的特徴として現れるべきであり、Telescope Array 実験はこれを検証するのに特に適している。

ABSTRACT

Interactions between cosmic ray protons and the photons of the cosmic microwave background radiation, as well as the expansion of the universe, cause cosmic rays to lose energy in a way that depends on the distance from the cosmic nray source to the earth. Because of this, there is a correlation between cosmic ray energies and the average redshift of their origin. This correlation may be exploited to measure the evolution of the sources of cosmic rays. Sky surveys of Quasi Stellar Objects (QSO's) and Active Galactic Nuclei (AGN's), made at optical and x-ray wavelengths, are consistent in showing that the evolution of such objects exhibits a break at a redshift, z, of about 1.6. At smaller redshifts, the luminosity density of QSO's and AGN's follows a $(1+z)^m$ distribution, with $m \sim 2.6$, and exhibit a much flatter distribution above the break. Measurements of the star formation rate are also consistent with this picture. If QSO's and AGN's are sources of ultrahigh energy cosmic rays the break in their evolution should appear in the cosmic ray spectrum at an energy of about $10^{17.6}$ eV. This is the energy of the second knee.

研究の動機と目的

• 観測された約 10^17.6 eV における宇宙線スペクトルの第二のひざが、銀河間宇宙線源の進化における途切れの兆候であるかどうかを調査すること。
• QSO や AGN の発光度進化が赤方偏移 z ≈ 1.6 で転換を示すという仮説が、銀河間宇宙線フラックスにスペクトル的特徴をもたらすかどうかを検証すること。
• Telescope Array 実験が、広いエネルギー範囲をカバーしていることから、この潜在的な進化シグナルを解明できるかどうかを検討すること。
• X_max との相関を用いた組成分析を通じて、第二のひざが銀河系由来か銀河間由来かを区別すること。

提案手法

• 赤方偏移 z ≈ 1.6 に途切れを持つ源進化モデルを用いて、銀河間宇宙線フラックスをモデル化する。ここで、発光度密度は z よりも低い領域では (1+z)^m に従い、m ≈ 2.6 であり、それより高い領域ではより平坦になる。
• 宇宙線のエネルギー損失（GZK抑制および e+e− 対生成）に起因するエネルギー-赤方偏移相関を用い、宇宙線エネルギーを源の赤方偏移にマッピングする。
• HiRes 実験のスペクトルおよび組成測定結果（X_max 対エネルギー）を用い、約 10^18 eV における銀河系宇宙線から銀河間宇宙線への遷移を制約する。
• Telescope Array (TA) 及びその低エネルギー拡張（TALE）が、10^16.5 から 10^20.5 eV の範囲で、連続的かつハイブリッド・ステレオ測定を可能にし、イベントごとのエネルギーおよび X_max 測定を実現すると提案する。
• ステレオおよびハイブリッドモードを用いてエネルギーおよび X_max を相互に補正し、不確実性を低減し、プロトン成分（銀河間）と重い成分（銀河系）を分離可能にする。
• X_max が深いイベントを選別し、銀河間のプロトン成分を隔離する。その後、このサブセットに第二のひざが現れるかどうかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約 10^17.6 eV における観測された第二のひざは、赤方偏移 z ≈ 1.6 における QSO や AGN の発光度進化の途切れに対応しているか？
• RQ2 宇宙線のエネルギー損失に起因するエネルギー-赤方偏移相関を用いて、源の進化を宇宙線フラックスのスペクトル的特徴と結びつけることができるか？
• RQ3 X_max を用いた組成分析により、第二のひざが銀河系由来か銀河間由来かを特定できるか？
• RQ4 Telescope Array 実験が、全エネルギー範囲をカバーしていることから、赤方偏移 z ≈ 1.6 における銀河間源の進化の途切れに対応するスペクトル的ブレークを検出できるか？

主な発見

• エネルギー損失に起因する赤方偏移との相関に基づき、約 10^17.6 eV における第二のひざは、赤方偏移 z ≈ 1.6 における QSO や AGN の進化の途切れに対応すると予測される。
• 赤方偏移 z ≈ 1.6 で発光度進化の途切れが生じ、z よりも低い領域で m ≈ 2.6、それより高い領域でより平坦な場合、銀河間宇宙線フラックスに検出可能なスペクトル的特徴が現れるべきである。
• HiRes 実験は、10^17.6 eV 付近の予測された途切れを検証するのに十分な低エネルギー範囲を有しておらず、エネルギー範囲が約 10^17.5 eV から始まり、大きな不確実性を伴う。
• Telescope Array 実験は、10^16.5 から 10^20.5 eV の全エネルギー範囲をカバーし、ハイブリッド・ステレオ測定が可能であるため、進化仮説を検証するのに特に適している。
• 第二のひざが X_max が深いプロトン成分（銀河間）に現れるならば、これは進化由来仮説を支持する証拠となる。
• 第二のひざが重い成分（銀河系）にのみ現れるならば、それは銀河系由来であり、進化に基づく説明は無効であると示唆する。