[論文レビュー] Sources of sub-GZK cosmic rays

P. Tinyakov, I. Tkachev|ArXiv.org|Dec 16, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、4–6×10¹⁹ eV のエネルギー範囲にある超高エネルギー宇宙線（UHECR）の大部分が、BL Lacertae天体（BL Lacs）で加速された陽子であると提唱している。銀河系磁場補正を施した角度相関解析、観測されたγ線連関、および相関する粒子の非一様な天球分布を用いて、BL Lacsが源であるという強い統計的証拠が得られた。陽子成分は軌道補正と非ランダムなクラスタリングによって確認された。

ABSTRACT

We analyze the existing evidence that BL Lacertae objects (BL Lacs) are sources of the highest-energy cosmic rays. We argue that three independent signatures observed in the real data -- (1) improvement of correlations with corrections of trajectories for the Galactic magnetic field; (2) connection between gamma-ray and UHECR emissions; (3) non-uniform distribution of correlating rays over the sky -- are consistent with the hypothesis that a substantial fraction of cosmic rays in the energy range 40-60 EeV are protons accelerated in BL Lacs.

研究の動機と目的

• 独立した観測的証拠を用いて、BL LacsがGZK超えでない宇宙線の源であるという仮説を検証すること。
• 銀河系磁場（GMF）における宇宙線の軌道の歪みを分析することで、4–6×10¹⁹ eV 範囲のUHECRに顕著な陽子分率が存在するかどうかを特定すること。
• UHECRとBL Lacsの間の相関が統計的偶然ではなく物理的関係であるかどうかを、天球分布パターンの検査によって評価すること。
• UHECR源の関連付けが、BL Lacsからのγ線放射と一貫しているか、および銀河間磁場効果を考慮して評価すること。
• 軌道補正が相関の有意性を向上させるかどうかを検証することで、銀河系磁場モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• エネルギーが4×10¹⁹ eV 以上のAGASA UHECRデータに対して、角度相関関数解析を実施。候補源としてBL Lacsおよび未同定EGRET源を用いた。
• 銀河系磁場（GMF）のモデルとして、ディスク部とハロー部を有する二重対称スパイラル（BSS）モデルを採用し、宇宙線到達方向の補正を実施した。
• 角度スケールδにおける偶然一致の確率p(δ)を計算し、有意な相関を特定。p(δ)を最小化することで最適な源集合を同定した。
• 実験の受容性および源分布モデルを用いたモンテカルロシミュレーションを実施。天の川の非一様な相関粒子分布が偶然に起因する可能性を検証した。
• Faraday回転測定値を分析し、特に相関が見られない領域において、GMFモデルの信頼性を評価した。
• 強力なGMF補正が施された領域と施されていない領域における相関の有意性を比較。エネルギー依存性および源クラスタリングの観点から分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系磁場による歪み補正が、UHECRとBL Lacsの間の角度相関を改善するか。これにより、UHECRフラックスに顕著な陽子成分が存在する可能性が示唆されるか？
• RQ2 粒子加速モデルが予測するように、UHECR放射とBL Lacsからのγ線放射の間に物理的関連があるか？
• RQ3 BL Lacsと相関するUHECRの分布は、天球上で非一様であるか。これは、ランダムな偶然ではなく物理的関連を示唆するか？
• RQ4 観測された相関の有意性は、GMFモデルによって説明可能か。それとも、モデルの限界または銀河間磁場効果による乖離が原因か？
• RQ5 4–6×10¹⁹ eV 範囲のUHECRのうち、陽子はどの程度の割合を占めているか。また、この割合はGZKカットオフの解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 銀河系磁場による歪み補正が、UHECRとBL Lacsの間の角度相関を顕著に改善した。これは、4–6×10¹⁹ eV 範囲のUHECRの大部分が陽子であることを示唆している。
• 領域IおよびIIIにおける偶然一致の確率は10⁻⁵未満であり、統計的ゆらぎをはるかに超える物理的有意性が確認された。
• 相関するUHECRの分布は天球上で著しく非一様であり、22個中19個が領域I+IIIに集中。偶然の確率はわずか約3×10⁻⁴であった。
• モンテカルロシミュレーションの結果、BL Lacsの空間分布だけでは観測された非対称性を説明できないことが判明。物理的関連を支持する証拠となった。
• 本分析で用いたGMFモデルは、領域I、III、IVにおいて観測と整合的であるが、相関が見られない領域IIでは磁場の向きが逆転している可能性を示唆している。
• BL LacsモデルにおけるUHECRエネルギースペクトルの数値シミュレーションは、データと整合的であるが、最高エネルギーのAGASAイベント（6–10）×10¹⁹ eV 以上では、別個の成分が必要となる可能性がある。