[論文レビュー] Supercluster Magnetic Fields and Anisotropy of Cosmic Rays above 10**(19) eV

Martin Lemoine, G. Sigl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ローカルスーパークラスタ内に存在する大規模磁場（0.05〜0.5 µG）が、10¹⁹ eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の観測された非等方性およびクラスタリングを説明できることを提案している。これらの構造的磁場を介した宇宙線伝搬のシミュレーションにより、著者らは0.5 µG前後の磁場強度が現在の観測的特徴を最もよく再現することを示しており、次世代実験による検証可能な予測を提示している。

ABSTRACT

We predict energy spectra and angular distributions of nucleons above 10**(19) eV that originate from sources distributed in the Local Supercluster, which is also supposed to contain a large scale magnetic field of strength between 0.05 and 0.5 micro Gauss. We show that this model can explain all present-day features of ultra-high energy cosmic rays, at least for field strengths close to 0.5 micro Gauss. The large-scale anisotropy and the clustering predicted by this scenario will allow strong discrimination against other models with next generation experiments.

研究の動機と目的

• 10¹⁹ eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の観測された非等方性およびエネルギースペクトルを説明すること。
• ローカルスーパークラスタ内の大規模磁場が、UHECR到達方向における観測されたクラスタリングおよび方向的パターンを説明できるかどうかを調査すること。
• 現在のUHECRデータと最も一致するスーパクラスタ内での必要となる磁場強度を特定すること。
• このモデルが他のUHECR起源のシナリオとは明確に区別できる、検証可能な予測を提供すること。
• 次世代の宇宙線検出器を用いて、このモデルを他のモデルと区別する可能性を評価すること。

提案手法

• ローカルスーパークラスタ全域に分布する源からの中性子（陽子および原子核）の伝搬をシミュレートする。
• ローカルスーパークラスタ内に、0.05〜0.5 µGの範囲で大規模な磁場構造を導入する。
• 不均一な磁場環境下での宇宙線軌道を追跡するためにモンテカルロ法を用いる。
• 地球における宇宙線のエネルギースペクトルおよび方位分布を計算する。
• 地上のUHECR検出器による観測データと、シミュレートされた方位分布およびクラスタリングパターンを比較する。
• 非等方性との整合性を重視して、さまざまな磁場強度におけるモデルの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカルスーパークラスタ内の大規模磁場は、10¹⁹ eVを超えるUHECRの到達方向における観測された非等方性を説明できるか？
• RQ2 どの磁場強度が、UHECRの観測エネルギースペクトルおよび方位分布と最もよく一致するか？
• RQ3 ローカルスーパークラスタ内における宇宙線源の空間的分布は、予測される非等方性およびクラスタリングにどのように影響を与えるか？
• RQ4 このモデルは、非等方的または他の不均一な源モデルとは明確に区別できる、方位パワースペクトルまたはクラスタリングパターンの特徴的なシグネチャを生成できるか？
• RQ5 今後の実験によって、このモデルをUHECR非等方性の他の説明と区別できる程度はどの程度か？

主な発見

• ローカルスーパークラスタ内に約0.5 µGの大規模磁場が存在する場合、エネルギースペクトルおよび方位分布の両方において現在のUHECR観測と最もよく一致する。
• このモデルは、10¹⁹ eVを超える宇宙線の到達方向における観測された大規模非等方性をうまく再現している。
• 予測される宇宙線イベントのクラスタリングは、スーパクラスタ内での源の空間的分布と磁場による偏移と整合的である。
• 次世代のUHECR検出器によって解像可能な特徴的な方位クラスタリングパターンをモデルが予測している。
• 0.5 µGの磁場強度のシナリオは、観測された非等方性の振幅とスケールと一致する方向性の変調を生成する。
• このモデルは、等方的またはランダムに分布する源モデルとは明確に区別できる明確な判別基準を提供しており、今後の実験的検証が可能である。