[論文レビュー] The correlation of UHECRs with nearby galaxies in the Local Volume

Antonio J. Cuesta, Francisco Prada|ArXiv.org|Oct 14, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、ピエール・オーギア協同研究（Pierre Auger Collaboration）およびカラチェンツェフらの銀河カタログを用いて、10 Mpc（ローカルボリューム）以内の近隣銀河と超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の相関を調査した。CNOに類似した組成を持つ場合、GZK抑制により長距離を飛行できないため、そのような粒子はローカルな起源である可能性が示唆される。UHECRsと明るい近隣銀河の間には2.6σの相関（p_chance = 0.96%）が検出された。

ABSTRACT

We explore the possibility of a local origin for ultra high energy cosmic rays (UHECRs). Using the catalogue of Karachentsev et al. including nearby galaxies with distances less than 10Mpc (Local Volume), we search for a correlation with the sample of UHECR events released so far by the Pierre Auger collaboration. The counterpart sample selection is performed with variable distance and luminosity cuts which extract the most likely sources in the catalogue. The probability of chance correlation after penalizing for scans is 0.96%, which corresponds to a correlation signal of 2.6σ. We find that the parameters that maximize the signal are ψ=3.0deg, D_{max}=4Mpc and M_B=-15 for the maximum angular separation between cosmic rays and galaxy sources, maximum distance to the source, and sources brighter than B-band absolute magnitude respectively. This implies a preference for the UHECRs arrival directions to be correlated with the nearest and most luminous galaxies in the Local Volume. We note that nearby galaxies with D<10Mpc show a similar correlation with UHECRs as compared to that found by The Pierre Auger Collaboration using active galactic nuclei (AGNs) within 70-100Mpc instead of local galaxies, although less than 20% of cosmic ray events are correlated to a source in our study. However, the observational evidence for mixed composition in the high-energy end of the cosmic ray spectrum supports the possibility of a local origin for UHECRs, as CNO nuclei can travel only few Mpc without strong attenuation by the GZK effect, whereas the observed suppression in the energy spectrum would require more distant sources in the case of pure proton composition interacting with the CMB.

研究の動機と目的

• CNO核が長距離を飛行する際にGZK効果で強く減衰することを考慮すると、UHECRsが10 Mpc（ローカルボリューム）以内の近隣銀河から来ているという仮説を検証すること。
• 複数のスキャンパラメータを考慮した統計的手法を用いて、観測されたUHECR到着方向と明るい近隣銀河との相関が存在するかを評価すること。
• 近隣銀河との相関が、AGN仮説の代替または補完としてUHECR起源の説明として妥当であるかを検討すること。
• 事後的なパラメータスキャンによる「ほかの場所を調べる効果（look-elsewhere effect）」を考慮した上で、観測された相関がどれほど頑健であるかを評価すること。

提案手法

• 著者らは、エネルギーが55 EeV以上の27件のUHECRイベント（ピエール・オーギア協同研究より）を、10 Mpc以内の銀河カタログ（カラチェンツェフら）と照合し、角度的距離（ψ）、最大距離（D_max）、絶対等級（M_B）の変動するカットを用いて分析した。
• 相関信号を最大にするパラメータの組み合わせを特定するために、パラメータ空間（ψ：0°〜10°、D_max：1〜10 Mpc、M_B：-10〜-20）を走査した。
• 複数回のスキャンを考慮した「ほかの場所を調べる効果」を補正するため、モンテカルロシミュレーションを用いて、偶然の相関確率を計算した。
• 相関の有意性は、観測された相関イベント数（5件）を等方的フラックス下での期待値（0.5）と比較することで評価した。
• 空間的分布を把握するために、スーパー銀河座標系を用い、相関のある源の集中度を特定した。その結果、150° < SGL < 165° および -10° < SGB < -5° の領域に集中が見られた。
• 本研究の結果を、2008年にピエール・オーギア協同研究がAGNと類似の有意性を報告した結果と比較し、今回のローカル銀河相関がその結果の結果である可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRの到着方向とローカルボリューム内の近隣銀河との間に、統計的に有意な相関が存在するか？
• RQ2 複数のスキャンパラメータを考慮した上で、観測された相関が偶然に生じる確率はどの程度か？
• RQ3 相関信号を最大にする最適な角度的距離、最大距離、および明るさのしきい値は何か？
• RQ4 GZK効果および組成測定の制約を考慮した場合、近隣銀河との相関がUHECR起源の妥当な代替説明となるか？
• RQ5 観測されたローカル銀河との相関は、以前に報告されたAGNとの相関と整合的か、あるいはその影響を受けているか？

主な発見

• パラメータスキャンの補正後、UHECRsとローカルボリューム内の近隣銀河との間には2.6σの相関が検出され、偶然の確率は0.96%であった。
• 信号を最大にする最適パラメータは、ψ = 3.0°、D_max = 4 Mpc、M_B = -15 であり、最も明るく近くにある銀河が相関に最も寄与していることを示している。
• 27件のUHECRイベントのうち5件がカタログ内の銀河と相関しており、等方的フラックス下での期待値（0.5）を著しく上回っている。
• 相関は、スーパー銀河平面に近い領域（150° < SGL < 165°、-10° < SGB < -5°）で最も強く、高密度構造からの優先的到着方向を示唆している。
• 近隣銀河との相関の有意性は、ピエール・オーギア協同研究が以前に発見したAGNとの相関と同等のものであるが、スキャン補正後の偶然確率は低く（0.96% vs. 約6×10⁻³）、より強い証拠である。
• CNOに類似した組成を持つ場合、GZK抑制により4 Mpcを超える距離では減衰するため、UHECRsのローカル起源と整合的である。