[論文レビュー] Evidence for UHECR origin in starburst galaxies

Luis A. Anchordoqui, Jorge F. Soriano|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、星形成銀河から発生すると提案している。星形成銀河では、スーパー・ウインド駆動の複数の平行衝撃波による拡산的衝撃加速が、観測データと一致するより平坦な粒子スペクトル（$f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$）を生成する。このモデルはスペクトルのアンクル、$10^{10.6}$ GeV付近のフラックス抑制、および組成の傾向を説明でき、アージャーおよびテレスコープ・アレイのデータと整合する星形成銀河が、UHECRの妥当な源集団を提供する。

ABSTRACT

The quest for the origin(s) of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) continues to be a far-reaching pillar of high energy astrophysics. The source scrutiny is mostly based on three observables: the energy spectrum, the nuclear composition, and the distribution of arrival directions. We show that each of these three observables can be well reproduced with UHECRs originating in starburst galaxies.

研究の動機と目的

• UHECR起源の長年の謎を解き明かすために、星形成銀河を妥当な源として特定すること。
• 物理的に妥当な加速メカニズムを通じて、アンクルやフラックス抑制を含む観測されたUHECRエネルギースペクトルを説明すること。
• テレスコープ・アレイとピエール・アージャー観測所の間の組成およびスペクトル形状に関する矛盾を解消すること。
• 以前のモデルに対する批判に応えるために、複数の衝撃波が時間的制約を軽減し、より平坦なスペクトルを生成することを示すこと。
• 標準的なGZKカットオフ解釈とは異なり、源レベルでのGZK相互作用が観測された最大エネルギーのカットオフを説明できることを示すこと。

提案手法

• 星形成銀河のスーパー・ウインドにおける複数の平行衝撃波でのUHECR加速をモデル化し、磁場を衝撃面に平行に配置する。
• 磁気流体力学的衝撃波のランキン＝ヒュゴニオ条件を用いて、衝撃面を越えるプラズマの挙動を記述し、理想気体の状態方程式と一定のγを仮定する。
• 各衝撃波での粒子の注入と再加速を計算し、加速時間の制約を緩和するために衝撃間で断熱的膨張を考慮する。
• 同一の無限個の衝撃波の分布を総和し、新規注入と膨張を考慮することで、最終的な $f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$ 動径分布を導出する。
• 観測データに適合させるために、$dN = 4\pi p^2 f_{\infty}(p)\,dp$ を用いて微分エネルギースペクトル $dN/dE \propto E^{-\gamma}$ を動径空間分布と関連付ける。
• 核の原子番号 $Z$ と質量数 $A$ に依存する源レベルでのエネルギー損失（GZK相互作用）を組み込み、最大UHECRエネルギーを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRエネルギースペクトル（アンクルやフラックス抑制を含む）は、星形成銀河のスーパー・ウインドにおける加速で説明可能か？
• RQ2 観測された組成傾向（低エネルギーで軽い粒子、高エネルギーで重い核）は、星形成環境における複数衝撃加速の予測と一致するか？
• RQ3 テレスコープ・アレイ（$10^{10.73}$ GeV）とアージャー（$10^{10.6}$ GeV）の間で観測されたフラックス抑制エネルギーの乖離は、同一の源モデル内で説明可能か？
• RQ4 アンクルにおける観測されたスペクトルの硬化は、$1.0 \lesssim \gamma \lesssim 1.5$ の源スペクトル $\propto E^{-\gamma}$ と整合するか？
• RQ5 源レベルでのGZK相互作用は、普遍的なGZKカットオフを仮定せず、最大UHECRエネルギーを説明できるか？

主な発見

• 複数の衝撃波により、$f_{\infty}(p)\propto p^{-3}$ のより平坦な粒子スペクトルが生成され、単一衝撃モデル（$f(p)\propto p^{-4}$）よりも観測スペクトルとよく一致する。
• 予測された源スペクトル指数 $\gamma \approx 1.2$ から $1.5$ は、テレスコープ・アレイとピエール・アージャー観測所のデータの統合解析と整合し、特に微分エネルギースペクトル $dN/dE \propto E^{-\gamma}$ と一致する。
• アージャーが観測した $E \sim 10^{10.6}$ GeV 付近、およびTAが観測した $E \sim 10^{10.73}$ GeV 付近のフラックス抑制は、モデルでよく再現されており、最大エネルギーは源レベルでのGZK損失が決定要因である。
• モデルは組成傾向を説明できる：$10^{9.3}$ GeV未満では軽い一次粒子（陽子、ヘリウム）で、$10^{10.5}$ GeVを超えると重い核へと遷移し、アージャーの結果と一致する。
• $10^{10.6}$ GeVを超えるUHECRと近くの星形成銀河との観測相関は、モデルと整合し、事後確率 $p \approx 0.005$ である。
• 複数の衝撃波と断熱的膨張の導入により、加速に要する時間の制約が軽減され、以前のモデルに対する主要な批判が緩和される。