[論文レビュー] On Gamma Ray Burst and Blazar AGN Origins of the Ultra-High Energy Cosmic Rays in Light of First Results from Auger

C. D. Dermer|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、アッジャー観測所のデータがGZKカットオフおよび75 Mpc以内の近隣AGNに向かうUHECRのクラスタリングを示していることから、ガンマ線バースト（GRBs）およびラジオラウドブルラーアクティブラジオ銀河核（AGNs）が、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の最も可能性の高い天体的源であると主張している。UHECRイオンがAGNの放射場で光分解を避けられることが示され、観測されたクラスタリングを説明するには、約10⁻¹¹ Gの最小銀河間磁場が必要であるとされ、今後のニュートリノおよびガンマ線観測が、源同定の決定的証拠を提供する。

ABSTRACT

The discoveries of the GZK cutoff with the HiRes and Auger Observatories and the discovery by Auger of clustering of >~60 EeV ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) towards nearby

研究の動機と目的

• ピエール・アッジャー観測所の最初の結果を用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の天体的源を特定すること。
• 観測的制約に基づき、ガンマ線バースト（GRBs）およびラジオラウドブルラーアクティブラジオ銀河核（AGNs）がUHECR加速源として実現可能かどうかを評価すること。
• UHECRイオンがAGNの放射場を通過する間に光分解を避けられるかどうかを特定すること。
• 近隣AGNに向かうUHECRのクラスタリングから、銀河間磁場（IGM）強度の下限を導出すること。
• UHECR源の起源を確認するための検出可能な高エネルギーガンマ線およびニュートリノシグナルを予測すること。

提案手法

• アッジャー観測所が60 EeV以上のUHECRのGZKカットオフおよび近隣AGN（75 Mpc以内）に向かうクラスタリングを検出しているという観測的制約を用いる。
• 宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）および銀河間背景光（EBL）と相互作用する陽子および鉄核のエネルギー損失平均自由行程を計算し、EBLの経験的フィットを用いる。
• 光子生成および光分解断面積モデルを、イオンのA²ᐟ³に比例してスケーリングし、非弾性度および断面積スケーリングに関する仮定を採用する。
• 特定の源候補（例：Cen A や GRBs）を仮定して、UHECRのクラスタリングから、最小銀河間磁場強度（約10⁻¹¹ G）を導出する。
• GLASTおよびアイスカウブに類似した検出器を用いた、ハドロン的ガンマ線シグナルおよびGZK／光子生成ニュートリノの検出可能性を評価する。
• 1–100 μmのEBL強度を仮定して、観測されたスペクトルから内在スペクトルを復元する際に、スペクトル指数が-2未満の低EBLモデルを好む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNの放射場を通過するにあたり、UHECRイオンは、広帯域領域から発射されたとしても、光分解を避けられるか。
• RQ2 近隣AGNに向かうUHECRのクラスタリングを説明するには、最小でどの程度の銀河間磁場強度が必要か。
• RQ3 GRBsおよびブルラーアクティブラジオ銀河核が、5つの基準を満たすかどうか：銀河外起源、十分な出力、加速能力、非熱的ハドロン加速、GZK半径内での近接性。
• RQ4 観測されたUHECRの混合成分（平均原子質量⟨A⟩ ≈ 8–26）は、GRBsやブルラーアクティブラジオ銀河核で加速された核から説明可能か。
• RQ5 UHECR源から予想される特徴的な高エネルギーガンマ線およびニュートリノシグナルは何か。また、GLASTおよびIceCubeでそれらをどのように検出できるか。

主な発見

• 高ローレンツ因子の下で相互作用率が低下するため、UHECRイオンは、広帯域領域から発射されたとしても、AGNの散乱放射場内では光分解を避けられる。
• Cen A や GRBs などの源を仮定した場合、近隣AGNに向かうUHECRのクラスタリングを説明するには、最小で約10⁻¹¹ Gの銀河間磁場強度が必要である。
• 陽子の光子生成によるエネルギー損失平均自由行程は、10²⁰ eVで約13.7 Mpcであり、アッジャーおよびHiResが観測したGZKカットオフと整合的である。
• 鉄核は、光分解によるGZK型のカットオフを約2×10²⁰ eVで示し、光子対生成損失は小さな寄与である。
• ガンマ線スペクトル指数が100 MeV〜TeV範囲で-2未満の低EBLモデルが、観測されたUHECRスペクトルおよび成分を最もよく説明する。
• IceCubeによるペブニュートリノの検出、またはANITAによるGZKニュートリノの検出は、UHECRの天体的起源を示す最も直接的な証拠となる。