[論文レビュー] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, II. Comparison with experimental data

Joerg P. Rachen, Todor Stanev+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、FR-II電波銀河のホットスポットから予測される銀河間超高エネルギー宇宙線（UHECR）の理論的予測を、更新された実験データと比較している。1 EeV未満の領域における予測された陽子主体のフラックスと、Fly's EyeおよびAkenoの観測結果の間に良好な一致が得られ、高エネルギー域における全体のUHECRフラックスの説明にも成功しており、スペクトル指数-3.1、5 EeVでのカットオフを示す重い核種の銀河系成分を支持している。

ABSTRACT

We compare the expected contribution of FR-II hot spots to the ultra-high energy cosmic ray spectrum (Rachen & Biermann 1993, A&A in press, BB paper astro-ph/9301010) to improved experimental results. We introduce a "world data set" of UHE cosmic rays by comparing the data of various experiments, extracting relative systematic errors in the energy derivation and averaging over energy bins. Since the contribution of FR-II hot spots is expected to be dominated by protons, we can also compare it to the recent experimental results for the proton component of cosmic rays between 0.1 and 1 EeV from both the Fly's Eye and the Akeno airshower detector (Gaisser et al. 1993, Phys Rev D in press, and Stanev et al. 1992, A&A submitted). The result is striking: Our prediction for energies below 1 EeV fits very well to the data for the proton component, while explaining the total flux at highest energies as well. The result is consistent with the expectation of a galactic component, consisting of heavy nuclei only, that has a slope of about -3.1 and cuts off at 5 EeV, as predicted by Biermann 1993 (A&A in press, BB paper astro-ph/9301008)

研究の動機と目的

• FR-II電波銀河のホットスポットが銀河間超高エネルギー宇宙線の主要因であるという仮説を検証すること。
• 最近のFly's EyeおよびAkeno検出器からの実験データと、陽子主体のUHECRフラックスの理論的予測を一致させること。
• Biermann (1993)が予測したように、銀河系の重い核種成分との整合性を検証すること。
• 複数の実験から得られた結果を統合・補正することで、UHECR観測の包括的「世界データセット」を構築すること。
• 観測されたUHECRスペクトルが、銀河間の陽子源と銀河系の重いイオン成分の組み合わせによって説明可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 著者らは、陽子主体の放射を仮定したFR-IIホットスポットにおける宇宙線加速の理論的モデルを用いている。
• 予測されたUHECRスペクトルを、複数の実験から得たエネルギー測定値を補正して構築した統合「世界データセット」と比較している。
• 実験間でのエネルギー再構築に関する系統的不確実性を、共通のエネルギーチャンクにわたって抽出・平均化している。
• モデルは、1 EeV未満のUHECRの主な源がFR-IIホットスポットであると仮定しており、パワー法則的挙動と整合するスペクトル指数を持つ。
• Fly's EyeおよびAkenoの実験データと、0.1〜1 EeVの範囲における陽子成分との比較を分析している。
• Biermann (1993)が予測したように、スペクトル指数-3.1、5 EeVでのカットオフを持つ銀河系の重い核種成分をモデルに組み込んでいる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FR-IIホットスポットモデルは、0.1〜1 EeVの範囲における観測された陽子成分のUHECRを説明できるか？
• RQ2 FR-II源からの予測フラックスは、Fly's EyeおよびAkenoの統合実験データとどの程度一致するか？
• RQ3 最高エネルギー域における観測された全UHECRフラックスは、FR-IIホットスポットモデルと整合的か？
• RQ4 スペクトル指数-3.1、5 EeVでのカットオフを持つ銀河系の重い核種成分を含めることで、データへの適合性が向上するか？
• RQ5 観測されたUHECRスペクトルに占める銀河間の陽子と銀河系の重い核種の寄与率はそれぞれどの程度か？

主な発見

• FR-IIホットスポットからの予測フラックスは、0.1〜1 EeVの範囲における宇宙線の陽子成分について、実験データと良好な一致を示している。
• モデルは最高エネルギー域における全UHECRフラックスをうまく説明できており、観測スペクトルと整合的である。
• この一致は、FR-IIホットスポットが1 EeV未満の銀河間UHECRの主要因であるという仮説を支持している。
• モデルは、スペクトル指数がおおよそ-3.1、5 EeVでカットオフを示す銀河系の重い核種成分と整合的である。
• 系統的誤差が実験間で小さく、エネルギーチャンクにわたって信頼性高く平均化可能であることが明らかになった。
• 統合「世界データセット」の構築により、理論と実験の間の堅実な比較が可能となり、モデルの予測力が確認された。