[論文レビュー] Limit on intergalactic magnetic field from ultra-high-energy cosmic ray hotspot in Perseus-Pisces region

A. Neronov, D. Semikoz+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 57被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ペルセウス＝ピスケス超銀河団におけるUHECRホットスポットの存在を用いて、宇宙空洞の一つであるタウラス空洞における最初のIGMF（銀河間磁場）の上界を導出する。UHECRの軌道歪みを分析することで、相関長が70 Mpcを超える場合、IGMFは$10^{-10}$ G未満でなければならないことが示され、従来のファラデー回転測定値よりも強い制約を与え、大規模構造の空洞における磁場に対する最初の制約をもたらす。

ABSTRACT

Telescope Array collaboration has reported an evidence for existence of a source of ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) events in Perseus-Pisces supercluster. We show that the mere existence of such a source imposes an upper bound on the strength of intergalactic magnetic field (IGMF) in the Taurus void lying between the Perseus-Pisces supercluster and the Milky Way galaxy. This limit is at the level of 10^{-10} G for a field with correlation length larger than the distance of the super-cluster ~ 70 Mpc. This bound is an order-of-magnitude stronger that the previously known bound on IGMF from radio Faraday rotation measurements and it is the first upper bound on magnetic field in the voids of the Large Scale Structure.

研究の動機と目的

• 大規模構造内の低物質密度領域であるタウラス空洞におけるIGMFの新しい上界を導出すること。
• ペルセウス＝ピスケス超銀河団に観測されたUHECRホットスポットを、IGMF強度のプローブとして利用し、強いIGMFが源の角度構造を曇らせる可能性があるという事実を活用すること。
• 従来のUHECRデータでは未調査であった空洞領域に注目することで、既存のIGMF制約を改善すること。
• UHECR観測と既存のガンマ線調査からの下界を組み合わせることで、宇宙論的磁場のマルチメッセンジャ制約を確立すること。

提案手法

• 本分析では、Telescope ArrayデータにおけるUHECRホットスポットの観測された角度的広がり（RA ≈ 19°, Dec ≈ 35°, ΘPP ≈ 20°）をIGMF強度の制約として用いる。
• ペルセウス＝ピスケス超銀河団から地球までの視線方向における、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の磁場による歪みを、陽子および軽い原子核を仮定してモデル化する。
• IGMFが観測された角度スケール内でUHECRの軌道をランダム化するほど強ければ、ホットスポットは観測不可能になると仮定する。
• UHECR軌道シミュレーションと既知の銀河系磁場（GMF）モデルを組み合わせ、銀河間磁場の寄与を分離する。
• IGMFに起因する歪みが観測された源の角度広がりを超えないように制約を導出する。
• GMFモデルの不確実性や源までの距離の不確実性を考慮し、ホットスポットを破壊する最小のIGMFに注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペルセウス＝ピスケス超銀河団におけるUHECRホットスポットの存在を用いて、タウラス空洞におけるIGMFにどの程度の上界を設定できるか？
• RQ2 観測されたUHECR源の広がりは、視線方向のIGMF強度と相関長をどのように制約するか？
• RQ3 UHECRデータは、従来のファラデー回転測定値よりも、空洞領域におけるIGMFをより強く制約できるか？
• RQ4 UHECRに基づくIGMF制約は、他の天体物理学的および宇宙論的制約と比較してどうか？
• RQ5 UHECRとガンマ線観測を組み合わせた将来的なマルチメッセンジャ検出によって、宇宙論的磁場をどのように探知できるか？

主な発見

• 本論文は、UHECRデータを用いて、宇宙空洞、具体的にはタウラス空洞におけるIGMFの最初の上界を確立する。
• 相関長が70 Mpcを超える場合、IGMF強度は$10^{-10}$ G未満に制約される。これはペルセウス＝ピスケス超銀河団までの距離である。
• この制約は、従来の電波ファラデー回転測定による最良の制約よりも1桁強い。
• これは、UHECR観測によって未だ調査されていなかった大規模構造の空洞領域におけるIGMFを初めて制約したものである。
• 非観測による二次ガンマ線放射からの既存の下界$10^{-16}$ Gと組み合わせると、タウラス空洞におけるIGMFは$10^{-16} \, \text{G} < B < 10^{-10} \, \text{G}$に制約される。
• UHECRに基づく制約は、UHECR源の相関研究からのものと同等の強度であり、ホットスポットの孤立性のおかげで系統的不確実性が低減されている。