[論文レビュー] Evidence for a Supergalactic Structure of Magnetic Deflection Multiplets of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Telescope Array Collaboration, Rasha Abbasi+142 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、10年間のTelescope Array（TA）データを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の磁場による偏光パターンに、スーパーギャラクティック構造の証拠を提示している。UHECRの到着方向とスーパーギャラクティック平面との間には、4.1σの事後的相関が確認され、これはM82のような銀河系外の源から来る陽子が、線形方向に垂直な約11 nGの整然とした磁場によって偏光している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Evidence for a large-scale supergalactic cosmic ray multiplet (arrival directions correlated with energy) structure is reported for ultra-high energy cosmic ray (UHECR) energies above 10$^{19}$ eV using seven years of data from the Telescope Array (TA) surface detector and updated to 10 years. Previous energy-position correlation studies have made assumptions regarding magnetic field shapes and strength, and UHECR composition. Here the assumption tested is that, since the supergalactic plane is a fit to the average matter density of the local Large Scale Structure (LSS), UHECR sources and intervening extragalactic magnetic fields are correlated with this plane. This supergalactic deflection hypothesis is tested by the entire field-of-view (FOV) behavior of the strength of intermediate-scale energy-angle correlations. These multiplets are measured in spherical cap section bins (wedges) of the FOV to account for coherent and random magnetic fields. The structure found is consistent with supergalactic deflection, the previously published energy spectrum anisotropy results of TA (the hotspot and coldspot), and toy-model simulations of a supergalactic magnetic sheet. The seven year data post-trial significance of this supergalactic structure of multiplets appearing by chance, on an isotropic sky, is found by Monte Carlo simulation to be 4.2$σ$. The ten years of data post-trial significance is 4.1$σ$. Furthermore, the starburst galaxy M82 is shown to be a possible source of the TA Hotspot, and an estimate of the supergalactic magnetic field using UHECR measurements is presented.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）がスーパーギャラクティック平面に沿った相関する偏光パターンを示すかどうかを調査すること。
• UHECR到着方向における観測された多重構造が、大規模な銀河系外磁場と整合するかどうかを特定すること。
• 最も顕著な相関が、M82のような特定の天体的源を指しているかどうかを評価すること。
• TAホットスポット方向の線形方向に垂直な整合磁場成分の強度を推定すること。

提案手法

• Telescope Array（TA）の10年間分のデータを分析し、球面キャップ領域（「ウェッジ」）におけるUHECR到着方向の角度相関を調査した。
• 統計的手法を用いてエネルギー-角度相関を特定し、事後的な有意性を評価した。
• 座標系を90°回転させることで対称性をテストし、スーパーギャラクティック平面への整合性を検証した。
• 理論的期待値と比較するため、相関の曲率をフィッティングした。
• 陽子組成モデルと3.7 Mpcの移動距離を仮定して、磁場強度を推定した。
• 既存の銀河系外磁場および源の非一様性に関する研究と整合性があるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECR多重構造とスーパーギャラクティック平面との間に、統計的に有意な相関があるか？
• RQ2 最も顕著なエネルギー-角度相関が、TAホットスポットと一致し、M82のような特定の源を指しているか？
• RQ3 相関方向における線形方向に垂直な整合磁場成分の強度は、推定されるか？
• RQ4 観測された相関が銀河平面への整合性と比較してどうなっており、銀河系外磁場拡散を支持するか？
• RQ5 結果が、理論的および観測的推定値と整合性を持っているか？

主な発見

• Telescope Arrayの10年間分のデータを用いた結果、UHECR多重構造とスーパーギャラクティック平面との間には、4.1σの事後的有意性が確認された。
• 最も顕著なエネルギー-角度相関は、7年間分のデータ（4.6σ）から10年間分のデータ（5.1σ）に拡張されたが、新たなウェッジパラメータースキャンは実施されなかった。
• 相関はTelescope Arrayホットスポットの真上に位置し、その起源は星形成銀河M82と整合的である。
• 陽子のみから構成されるものと仮定した場合、線形方向に垂直な平均整合磁場成分は11 nGと推定された。
• 3.7 Mpcの移動距離と陽子組成を仮定した場合、スーパーギャラクティック平面に沿った垂直磁場の平均推定値は約10 nGであった。
• 混合組成またはより長い移動距離を仮定した場合、磁場強度の推定値は小さくなるが、他の理論的および観測的制約と整合的である。