[論文レビュー] Testing the correlations between ultra-high-energy cosmic rays and BL Lac type objects with HiRes stereoscopic data

Dmitry Gorbunov, P. Tinyakov+2 more|ArXiv.org|Jun 29, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、HiResステレオスコピック実験で検出された超高エネルギー宇宙線（UHECR）と、3つのBL Lacertae（BL Lac）天体のサンプルとの相関をテストする。角度相関関数とモンテカルロシミュレーションを用いて、156個のBL Lacs（Vmag < 18）を含む最大のサンプルでのみ顕著な相関が見られ、E > 10¹⁹ eVで中性の一次粒子が約3%存在すると示唆され、BL LacsがUHECRの潜在的源であることを支持する。

ABSTRACT

Previously suggested correlations of BL Lac type objects with the arrival directions of the ultra-high-energy cosmic ray primaries are tested by making use of the HiRes stereoscopic data. The results of the study support the conclusion that BL Lacs may be the cosmic ray sources and suggest the presence of a small (a few percent) fraction of neutral primaries at E&gt;10^{19} eV.

研究の動機と目的

• 独立したHiResステレオスコピックデータを用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）がBL Lac型天体と相関しているという仮説を検証すること。
• AGASAおよび Yakutsk データで以前に観測されたUHECRとBL Lacsの相関が、新しい独立データセットであるHiResにおいても確認されるかどうかを評価すること。
• HiResの角度分解能と露出を考慮した上で、観測された相関と整合する中性UHECR一次粒子の割合を特定すること。
• サンプル間の非独立性を考慮した上で、3つの異なるBL Lacサンプルにおける相関の統計的有意性を評価すること。
• 角度クラスタリングと偏光制約を踏まえて、UHECR源の性質およびUHECRフラックスの組成を推論すること。

提案手法

• 実際のHiResデータとモンテカルロシミュレーションを用いて、角度差δ内のUHECR–BL Lacペアの数を計算するため、角度相関関数法を適用した。
• HiRes検出器の受容性（仰角および方位分布）に一致するランダムなUHECRイベント分布を生成し、背景期待値を推定した。
• 繰り返しモンテカルロ試行を用いて、観測された相関ペアの数がランダムで相関のない分布から生じる確率P(δ)を計算した。
• 事前に定義された3つのBL Lacサンプル（22個の最も強力な天体、14個のγ線強度が高い候補、V-mag < 18の156個の天体）を用いて、異なる源選択基準での一貫性を評価した。
• 有意性を評価するために、δ = 0.8°における最小P(δ)値を用い、P(0.8) = 4×10⁻⁴という結果を得た。これは、相関なしという帰無仮説を強く否定する強力な証拠を示している。
• 観測された相関と整合する中性一次粒子の割合を推定した。その際、271個のHiResイベントのうち8個がBL Lacs由来（約3%）であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HiResで検出されたUHECRの到来方向と、3つのBL Lacサンプルのいずれかとの間に統計的に有意な相関があるか？
• RQ2 以前のデータセット（AGASA、Yakutsk）で観測された相関信号が、独立したHiResステレオスコピックデータセットでも継続的に観測されるか？
• RQ3 観測されたBL Lacsとの相関を踏まえると、E > 10¹⁹ eVでUHECRフラックスの何パーセントが中性であると整合的か？
• RQ4 なぜ一部のBL Lacサンプルでのみ有意な相関が観測されるのか？これはUHECR源の固有的性質に何を示唆するか？
• RQ5 観測された角度クラスタリングは、荷電粒子によるもので説明可能か、それとも銀河磁場内での過剰な偏光を避けるために、中性一次粒子の大きな割合を必要とするか？

主な発見

• 156個のBL Lacs（V-mag < 18）を含む最大のサンプルでのみ、統計的に有意な相関が観測され、P(0.8°) = 4×10⁻⁴であった。
• 1°以内のUHECR–BL Lacペア数11個は、ランダム背景からの期待値約3ペアよりも顕著に高い。
• 観測された相関と整合する中性一次粒子の割合は、約8/271（約3%）と推定され、BL Lacs由来のものと整合的である。
• 22個または14個の小さなサンプルでは相関が観測されず、広範かつ等級制限付きのサンプルでのみ強固な信号が得られた。
• 相関の角度スケール（ピークはδ ≈ 0.8°付近）は、銀河磁場内での荷電UHECRが受ける典型的な偏光よりもはるかに小さいため、中性一次粒子の大きな割合を支持する。
• AGASAでのクラスタリング観測と一致し、現在のUHECRフラックスに寄与しているのは数100個の源に限られる可能性がある。