[論文レビュー] On the interpretation of the cosmic-ray anisotropy at ultra-high energies

Dmitry Gorbunov, P. Tinyakov+2 more|ArXiv.org|Apr 7, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）が近隣の活動銀河核（AGN）由来であるという広く受け入れられているAGN仮説に挑戦し、観測された非一様性——特にセプスA（Cen A）との相関——は、むしろ1つの支配的源によってよりよく説明されると主張する。距離と露出に重みを置いたシミュレートされた宇宙線フラックスを用いて、著者らはバービオスーパークラスタからのイベントの著しい不足を発見し、AGN仮説に反する結果を得た。彼らは、Cen Aが広がった電波リブを有し、重い原子核を加速する可能性があることから、磁気歪みと併せて観測された相関を説明できると提案する。

ABSTRACT

A natural interpretation of the correlation between nearby Active Galactic Nuclei (AGN) and the highest-energy cosmic rays observed recently by the Pierre Auger Collaboration is that the sources of the cosmic rays are either AGN or other objects with a similar spatial distribution (the ``AGN hypothesis''). We question this interpretation. We calculate the expected distribution of the arrival directions of cosmic rays under the AGN hypothesis and argue that it is not supported by the data, one of manifestations of the discrepancy being the deficit of events from the direction of the Virgo supercluster. We briefly discuss possible alternative explanations including the origin of a significant part of the observed events from Cen A.

研究の動機と目的

• AGN仮説の妥当性を検証すること。この仮説は、大規模構造を追跡する多数の近くの天体的源（AGNに類似）がUHECRを供給すると想定している。
• 実際の天の川の源分布と観測制約を考慮した上で、観測されたUHECRの非一様性——特にAGNとの相関——がAGN仮説によって説明可能かどうかを評価すること。
• Cen Aが支配的源として果たす役割を含め、代替的説明を調査すること。特に、磁気歪みと広がった電波リブの影響を考慮する。
• 予測されたと観測されたイベント分布の乖離を定量化すること。特にバービオスーパークラスタ領域における欠損を焦点とする。
• 銀河磁気場内の歪み制約を踏まえた重い宇宙線成分の意味を評価すること。

提案手法

• 472個の近くのAGN（z ≤ 0.018）の空間的分布（カタログより）を用いて、距離に反比例する1/r²の減衰とPAO露出に重みを置いた、期待されるUHECRフラックス分布をシミュレートした。
• 超銀河座標系を用いて、シミュレートされたフラックスを天球上に投影し、色の濃さで予想されるフラックス強度を示した。
• ピエール・オーギュール観測所が検出した実際の27件のUHECRイベントと比較し、3.1°の角度クラスタリングに注目した。
• 等方的注入のもとでCen Aの20°内に9件のイベントが観測される確率を評価し、10⁶回のモンテカルロ試行でたった11回の出現にとどまった。
• 銀河磁気場による重い原子核の歪みの影響を評価し、中程度質量および重い原子核では数十度の歪みが生じると推定した。
• Cen Aの外側電波リブのサイズ（約10°）を物理的スケールとして用い、観測された角度相関と整合性があるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギーでの観測されたUHECRの非一様性は、多数の近くにあり均一に明るい源が大規模構造を追跡すると仮定するAGN仮説の予測と一致するか？
• RQ2 バービオスーパークラスタはAGNモデルにおいてセプススーパークラスタと同等のフラックス寄与を示すにもかかわらず、なぜUHECRイベントの著しい欠損が見られるのか？
• RQ3 Cen Aの物理的性質——特に広がった電波リブと磁気場による歪み——が、観測されたUHECR到着方向との相関を説明できるか？
• RQ4 重いまたは中程度質量の原子核を示唆する観測された化学的組成の傾向は、歪み制約を考慮すると、AGN仮説の妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 観測された相関は、AGNに類似した源の拡散分布よりも、Cen Aのような1つの支配的源とより整合性があるか？

主な発見

• AGN仮説はセプススーパークラスタとバービオスーパークラスタからのフラックス寄与がほぼ等しいと予測するが、データはバービオ方向からのUHECRイベントの著しい欠損を示している。
• 等方的注入のもとでCen Aの20°内に9件のイベントが観測される確率は10⁶回のモンテカルロ試行でたった11回にとどまり、これはランダムな期待を超える強い相関を示している。
• 観測された相関の角度スケール（3.1°）はCen Aの外側電波リブのサイズ（約10°）と整合しており、源構造と観測された非一様性との間に物理的関連がある可能性を示唆している。
• 重い原子核（例：Fe）の銀河磁気場による歪みは数十度に達するため、遠方のAGNから出た陽子が観測された狭い相関スケールを生じさせることは極めて不自然である。
• 観測されたUHECRの組成は重い原子核を支持しているが、これはAGN仮説が成立するには歪みが無視可能でなければならないことを意味し、既知の磁気場効果と矛盾する。
• ピエール・オーギュール観測所のデータ、特に元の相関解析で使われたバイアスのかかったサブセットは、エネルギーおよび仰角カットの調整により信号が誇張されている可能性があると示唆している。