[論文レビュー] GRB 221009A: a potential source of ultra-high-energy cosmic rays

Rafael Alves Batista|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、エネルギーが1エクサエレクトロンボルト（EeV）を超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を放出するGRB 221009Aが、宇宙背景放射と相互作用することで、地球で検出可能な高エネルギーガンマ線およびニュートリノを生成する可能性を提唱している。もし銀河間磁場が10⁻¹⁷ T未満であれば、UHECRは著しい偏光を受けることなく到達可能であり、その崩壊生成物も観測された時間窓内に到着する。この仮説により、18 TeVおよび251 TeVのガンマ線の検出が、ローレンツ不変性の破れやアクシオン様粒子といった非自明な物理理論を必要とせずに説明可能となる。

ABSTRACT

Recently an extraordinarily bright gamma-ray burst, GRB 221009A, was observed by several facilities covering the whole electromagnetic spectrum. Gamma rays with energies up to 18 TeV were detected, as well as a possible photon with 251 TeV. Such energetic events are not expected because they would be attenuated by pair-production interactions with the extragalactic background light. This tension is, however, only apparent, and does not call for any unconventional explanation. Here I show that these observations can be interpreted as the result of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) interacting with cosmological radiation fields during their journey to Earth, provided that intergalactic magnetic fields are reasonably weak. If this hypothesis is correct, it would establish bursts like GRB 221009A as UHECR sources.

研究の動機と目的

• GRB 221009Aからの超高エネルギーガンマ線（最大18 TeV、可能性として251 TeV）の検出を、非自明な物理理論を用いずに説明すること。
• GRB 221009Aから放出される超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、宇宙空間での相互作用によって検出可能なガンマ線およびニュートリノを生成できるかどうかを検証すること。
• 現実的な銀河間磁場条件のもとで、GRB 221009AがUHECR源として成立するかを評価すること。
• 伝搬遅延を考慮した場合の、観測された高エネルギー光子とバーストの時間的・空間的相関を評価すること。

提案手法

• 光子生成、ベーテ＝ハイトラー電子対生成、および光分解反応のエネルギー損失および反応断面積を用いた1次元シミュレーションにより、UHECRの銀河間空間を通過する過程をモデル化する。
• 宇宙背景放射（EBL）、宇宙マイクロ波背景（CMB）、および宇宙電波背景（CRB）とのUHECR相互作用によって生成される、宇宙起源のガンマ線およびニュートリノのフラックスを計算する。
• 銀河間磁場（IGMF）がUHECRの偏光および伝搬遅延に与える影響を評価し、最小限の偏光を実現するにはIGMFが10⁻¹⁷ T未満である必要があることを確認する。
• LHAASO、Carpet-2、およびPierre AugerやIceCubeなどのニュートリノ観測所からの観測限界と、予測されたガンマ線およびニュートリノフラックスを比較する。
• 時間的および空間的一致の有意性を、保守的および楽観的な状況のもとで評価する。
• 密な環境（銀河団やフィラメント）における伝搬効果を反映させるために、剛性依存のエネルギーカットオフを組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 221009Aからの観測された18 TeVおよび251 TeVのガンマ線は、非自明な物理理論を必要とせず、UHECRの宇宙起源の電磁気的カスケードによって説明可能か？
• RQ2 UHECRが引き起こすガンマ線とバーストとの間の時間的・空間的相関を保つために必要な銀河間磁場の強さはどの程度か？
• RQ3 UHECRの相互作用から予測されるニュートリノフラックスは、Pierre AugerおよびIceCubeの現在の観測限界と整合的か？
• RQ4 40 EeVを超えるエネルギーを持つUHECRは、地球への伝搬を生き残り、観測された時間窓内に検出可能なカスケードを生成できるか？
• RQ5 GRB 221009Aは宇宙の空洞に位置しているのか、それともフィラメントや団など密度の高い環境にあるのか？その環境が解釈に与える影響は何か？

主な発見

• IGMFが約10⁻¹⁷ T未満であれば、40 EeVを超えるUHECRは、宇宙起源のカスケードによって最大約1ペタエレクトロンボルト（PeV）までの検出可能なガンマ線を生成できる。
• LHAASOが観測した18 TeVのガンマ線およびCarpet-2が報告した251 TeVの候補は、UHECR誘発の電磁気的カスケードによって説明可能であり、ローレンツ不変性の破れやアクシオン様粒子を仮定する必要がない。
• Pierre AugerおよびIceCubeからの現在の観測限界と整合的であるニュートリノフラックスが、時間遅延および空間的拡散を考慮した場合に得られる。
• バーストが銀河団の中心にない場合、およびジェットが宇宙フィラメントと一致していない場合には、バーストと高エネルギー光子との時間的・空間的相関が保持される。
• 保守的な仮定（剛性依存のエネルギーカットオフを含む）のもとで、この仮説は妥当であり、将来的な施設（IceCube-Gen2、POEMMA、GRAND）によって検証可能である。
• 100 PeVを超えるエネルギーでニュートリノが検出されない場合、最も高エネルギーのガンマ線イベントはUHECR起源ではないと結論づけられる。