[論文レビュー] Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with a novel combined analysis of arrival directions, spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory

Pierre Auger Collaboration, Abdul Halim, A.+373 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーギュール観測所からの到着方向、エネルギースペクトル、および組成データの新しい統合的分析を提示し、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を制約する。複数のデータストリームを統一された尤度フレームワークで統合することで、観測と最も整合性の高いのは星形成率（SFR）に類似した源分布であることが判明し、従来の単一データ分析と比較してモデルの制約が著しく向上した。

ABSTRACT

The combined fit of the measured energy spectrum and shower maximum depth distributions of ultra-high-energy cosmic rays is known to constrain the parameters of astrophysical models with homogeneous source distributions. Studies of the distribution of the cosmic-ray arrival directions show a better agreement with models in which a fraction of the flux is non-isotropic and associated with the nearby radio galaxy Centaurus A or with catalogs such as that of starburst galaxies. Here, we present a novel combination of both analyses by a simultaneous fit of arrival directions, energy spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory. We find that a model containing a flux contribution from the starburst galaxy catalog of around 20% at 40 EeV with a magnetic field blurring of around $20^\circ$ for a rigidity of 10 EV provides a fair simultaneous description of all three observables. The starburst galaxy model is favored with a significance of $4.5σ$ (considering experimental systematic effects) compared to a reference model with only homogeneously distributed background sources. By investigating a scenario with Centaurus A as a single source in combination with the homogeneous background, we confirm that this region of the sky provides the dominant contribution to the observed anisotropy signal. Models containing a catalog of jetted active galactic nuclei whose flux scales with the $γ$-ray emission are, however, disfavored as they cannot adequately describe the measured arrival directions.

研究の動機と目的

• ピエール・オーギュール観測所の到着方向、エネルギースペクトル、および組成データを統合する統一された統計フレームワークの構築。
• 単一で一貫性のある尤度アプローチを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源に関する競合する天体物理学的モデルをテストすること。
• 平坦型、SFRに類似した型、およびAGNに類似した型の3つの源分布モデルのうち、どれが観測されたUHECRデータを最もよく説明するかを特定すること。
• 実験的系統誤差がモデル選択およびパラメータ推定に与える影響を定量化すること。
• スペクトル指数、カットオフ半径、および組成進化といったUHECR源の性質に対する制約を強化すること。

提案手法

• 到着方向のクラスタリング、エネルギースペクトルの形状、およびシャワー最大深さ（Xmax）をエネルギー関数として同時にモデル化する連合尤度関数を構築する。
• MCMCサンプリングを用いたベイズフレームワークにより、源分布モデルおよびUHECR特性の全パラメータ空間を探索する。
• 源分布は平坦型、星形成率（SFR）に類似した型、およびAGNに類似した型としてモデル化され、赤方偏移に依存する注入率をとる。
• エネルギースケール、Xmax再構築、および組成に関する系統誤差を、ガウス事前分布を用いたネイジュー・パラメータとして含める。
• カットオフを伴うパワー則スペクトルをモデルに組み込み、組成進化は水素、ヘリウム、炭素、ネオン、ケイ素、鉄核のエネルギー依存する割合を用いてモデル化する。
• モデル比較にはベイズ情報基準（BIC）およびデヴァイアンス情報基準（DIC）を用い、適合度評価には対数尤度およびデヴァイアンス統計量を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピエール・オーギュールからの統合的UHECRデータにおいて、平坦型、SFRに類似した型、AGNに類似した型のうち、どの源分布モデルが最もよくデータを説明するか？
• RQ2 エネルギースケールおよびXmax再構築に関する系統誤差が、推定パラメータおよびモデル選択に与える影響は何か？
• RQ3 到着方向、スペクトル、および組成を統合的に分析した場合の、UHECRの最良適合スペクトル指数およびカットオフ半径は何か？
• RQ4 組成データを含めることで、スペクトルのみまたは到着方向のみの分析と比較して、UHECR源集団に関する制約はどの程度強化されるか？
• RQ5 スペクトルおよび組成データと組み合わせた場合、到着方向の観測されたクラスタリングの有意性は何か？

主な発見

• SFRに類似した源分布モデルが最も良い適合を示し、平坦モデルに対して20.4単位、AGNに類似したモデルに対して12.7単位のベイズ情報基準（BIC）の改善を示した。
• SFRに類似したモデルの最良適合スペクトル指数は γ = −3.09 であり、90%信用区間は [−3.23, −3.09] であり、硬いスペクトルと整合的である。
• カットオフ半径 Rcut/V は log10 単位で 18.10 ± 0.02 に制約され、源分布がやや集中しすぎず、やや広がりすぎないことを示している。
• 系統誤差を分析に組み込むことで、デヴァイアンス情報基準（DIC）が顕著に低下し、SFRに類似したモデルでは DIC = 134.1、平坦モデルでは DIC = 160.5 を達成した。
• 組成分析では、高エネルギー域で重核種の割合が顕著に増加しており、10^20 eV における鉄群核の割合は約 3.8 × 10−2 にまで上昇し、最高エネルギー域で混合組成と整合的である。
• 統合的分析により、源注入率および組成進化に関する不確実性が低減され、SFRに類似したモデルが全テストモデルの中で最も高い対数尤度（−274.6）および最小のデヴァイアンス（197.3）を示した。