[論文レビュー] Indications of a Cosmic Ray Source in the Perseus-Pisces Supercluster

Telescope Array Collaboration, Rasha Abbasi+158 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ペルセウス＝ピサス超団の方向に、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の顕著な過剰が検出され、4.0–4.4σの有意水準に達した。等方性を検証するためのモンテカルロシミュレーションにより、偶然の一致確率は3.5σと推定され、この超団内に宇宙線源が存在する可能性が示唆される。この超団には活動銀河、星形成銀河、大規模な衝撃波が存在し、これらはUHECRの加速源としての可能性を有する。

ABSTRACT

The Telescope Array Collaboration has observed an excess of events with $E \ge 10^{19.4} ~{ m eV}$ in the data which is centered at (RA, dec) = ($19^\circ$, $35^\circ$). This is near the center of the Perseus-Pisces supercluster (PPSC). The PPSC is about $70 ~{ m Mpc}$ distant and is the closest supercluster in the Northern Hemisphere (other than the Virgo supercluster of which we are a part). A Li-Ma oversampling analysis with $20^\circ$-radius circles indicates an excess in the arrival direction of events with a local significance of about 4 standard deviations. The probability of having such excess close to the PPSC by chance is estimated to be 3.5 standard deviations. This result indicates that a cosmic ray source likely exists in that supercluster.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）と空における大規模構造との間の方向的相関を調査すること。特にペルセウス＝ピサス超団を対象とする。
• 観測されたUHECR過剰が、等方的背景ゆえの偶然的フラクチュエーションによって生じる可能性を検証すること。
• 他の近隣の大規模天体的構造が、同程度の有意水準でUHECR過剰を説明できるかどうかを評価すること。
• ペルセウス＝ピサス超団がUHECRの源を有しているという仮説を支持し、今後のマルチメッセンジャおよび統計的分析を促進すること。
• TA×4プロジェクトを通じて北半球のUHECR検出能力を強化し、源の局所化に向けた統計的パワーを高めること。

提案手法

• Telescope Array（TA）のサーフェス検出器が記録した、10^19.4 eVを超えるUHECRイベントを分析すること。
• イベントの到達方向を、ペルセウス＝ピサス超団内の銀河団や銀河グループの空間分布と照合すること。
• 実データと同一の統計的性質と検出器透過関数を持つ、等方的モンテカルロイベント集合を生成し、背景ゆらぎをシミュレートすること。
• 超団方向における観測された過剰のLi-Ma有意水準を計算し、他の主要構造との偶然的一致の有意水準と比較すること。
• モンテカルロ試行からの有意水準分布と照合することで、偶然の過剰が生じる確率を評価すること。
• 将来のUHECR研究における角度分解能と統計的パワーの向上を目的として、TA×4プロジェクトによる拡大された受光面積と新設の蛍光検出器ステーションを活用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペルセウス＝ピサス超団の方向に観測されたUHECR過剰は、ランダムなゆらぎをはるかに超えて統計的に有意であるか？
• RQ2 観測されたUHECR過剰が、超団構造との偶然的一致によって生じる確率はどの程度か？
• RQ3 他の近隣の大規模天体的構造にも同様のUHECR過剰が、同程度の有意水準で観測されているか？
• RQ4 活動銀河、星形成銀河、大規模衝撃波を含む、ペルセウス＝ピサス超団の既知の天体的成分を踏まえると、UHECRの源を有している可能性はあるか？
• RQ5 TA×4プロジェクトは、北半球におけるUHECRの起源を解明する能力をどのように向上させるか？

主な発見

• 10^19.4 eVを超えるUHECRの過剰が、ペルセウス＝ピサス超団の方向に4.0–4.4σの有意水準で観測された。
• 等方的モンテカルロシミュレーションに基づくこの過剰が偶然に生じる確率は3.5σと推定され、ランダムな起源の可能性は極めて低い。
• 他の近隣の大規模天体的構造では、Li-Ma有意水準が1σを超えるものは観測されず、ペルセウス＝ピサス超団が過剰と特に関連していることが示唆される。
• 5つの近隣の大規模構造のいずれかとの偶然的一致の有意水準は約3σと推定され、超団が源候補としての役割を果たしていることをさらに支持する。
• ペルセウス＝ピサス超団には、活動銀河、星形成銀河、大規模衝撃波といった、UHECRを加速可能な天体的対象が多数存在する。
• TA×4プロジェクトは、拡大された受光面積と新設の蛍光検出器を備えて進行中であり、北半球におけるUHECRの統計的パワーと源の局所化能力を著しく向上させると期待される。