[論文レビュー] The Nature and Origin of Ultra-High Energy Cosmic Ray Particles

Peter L. Biermann, L. Caramete+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、超高エネルギー宇宙線（UHECR）が2つの異なる天体的源に起因すると提案している。1つは、中心銀河（例：ケヌスA）における超大質量ブラックホール（SMBH）合体と相対論的ジェットを介したもので、もう1つは、星形成銀河（例：M82）における相対論的超新星またはガンマ線バーストを介したものである。これらの源は、UHECR、ペブネウトリノ、TeVフォトン、および低〜高周波数の重力波（GW）を生成する。GWイベントにおけるエネルギーの転送は約10⁶³ ergに達し、多メッセンジャー天文学の統一的高エネルギー物理学実験施設を提供する。

ABSTRACT

We outline two concepts to explain Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs), one based on radio galaxies and their relativistic jets and terminal hot spots, and one based on relativistic Super-Novae (SNe) or Gamma Ray Bursts (GRBs) in starburst galaxies, one matching the arrival direction data in the South (the radio galaxy Cen A) and one in the North (the starburst galaxy M82). Ubiquitous neutrino emission follows accompanied by compact TeV photon emission, detectable more easily if the direction is towards Earth. The ejection of UHECRs is last. We have observed particles up to ZeV, neutrinos up to PeV, photons up to TeV, 30 - 300 Hz GW events, and hope to detect soon of order Hz to mHz GW events. Energy turnover in single low frequency GW events may be of order 10^63 erg. How can we further test these concepts? First of all by associating individual UHECR events, or directional groups of events, with chemical composition in both the Telescope Array (TA) Coll. and the Auger Coll. data. Second by identifying more TeV to PeV neutrinos with recent SMBH mergers. Third by detecting the order < mHz GW events of SMBH binaries, and identifying the galaxies host to the stellar BH mergers and their GW events in the range up to 300 Hz. Fourth by finally detecting the formation of the first generation of SMBHs and their mergers, surely a spectacular discovery.

研究の動機と目的

• 南天および北天の天球におけるUHECR到達方向の観測された非一様性を、具体的な天体的源の同定によって説明すること。
• UHECR、高エネルギーニュートリノ、TeVフォトン、重力波（GW）の起源を、一つの多メッセンジャー枠組み内で統一すること。
• 星形成銀河（例：M82）におけるSMBH合体が、10–300 Hz帯で検出された恒星質量ブラックホール（BH）合体GWイベントの主な源であるという仮説を検証すること。
• Telescope ArrayおよびPierre Auger観測所のデータにおけるUHECRの化学的組成と方向クラスタリングとの関係を確立すること。
• SMBHおよび恒星質量BH合体から予測される検出可能なシグネチャ（例：方向性ニュートリノバースト、GW背景）を提示し、将来的な多メッセンジャー検証を可能にすること。

提案手法

• 2源モデルを提案：(1) 電波銀河（例：Cen A）におけるSMBH合体が、低周波数GW、相対論的ジェット、UHECRを段階的に生成する。 (2) 星形成銀河（例：M82）における相対論的超新星/ガンマ線バーストが、高エネルギー粒子およびニュートリノを生成する。
• UHECRの方向的相関をCen A（南天）およびM82（北天）と照合し、源の位置と放射メカニズムを制約する。
• 相対論的ジェットおよび衝撃波面における粒子加速モデルを適用し、ボーム型拡산および衝撃波後領域における磁場の比例関係 ∝ r⁻¹ を仮定する。
• 磁場と衝撃速度に基づき最大粒子エネルギーを推定し、Z電荷を持つ原子核では10²¹ Z eV に近い上限が得られる。
• SMBH合体に起因する低周波数GW背景を予測し、1–1000 μHzの周波数範囲で、1イベントあたり最大約10⁶³ ergのエネルギー転送が可能であると示す。
• 恒星質量BH合体率を遠赤外線（FIR）輝度と関連づけ、二重大質量星がGWイベント率の主因であると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜUHECRは南天にスポットが集中しており、北天ではさらに強いスポットが観測されるのか。この非一様性を説明する物理的過程は何か。
• RQ2 UHECR、ペブニュートリノ、TeVフォトン、重力波の同時生成を、一つの天体的フレームワーク内でどのように説明できるか。
• RQ3 SMBH合体が低周波数GWと相対論的ジェットを生成する役割は何か。この順序が検出可能な多メッセンジャーシグナルに与える影響は何か。
• RQ4 UHECRの化学的組成は、Telescope ArrayおよびPierre Auger観測所のデータにおける方向クラスタリングとどのように相関するか。
• RQ5 初代超大質量ブラックホールの形成と合体は、μHzからmHzの重力波信号によって検出可能か。そのような検出が宇宙論に与える意味は何か。

主な発見

• 南天における到達方向のスポットは、中心銀河ケヌスA（Cen A）に起因すると最もよく説明される。ここでは、最近のSMBH二重合体の合体が新たな相対論的ジェットを引き起こした可能性がある。
• 北天におけるより強い方向的スポットは、星形成銀河M82に最もよく一致する。ここでは、相対論的超新星またはガンマ線バーストが高エネルギー粒子を生成している。
• UHECRはエネルギーまで約10²¹ Z eV に達し、高密度の星間媒体を突き抜ける相対論的ジェットに駆動される衝撃波で粒子加速が起こる。
• SMBH合体に続くニュートリノ放出は普遍的であると予想され、新しいジェットが地球に向かって発射されていれば検出可能なフラックスが得られる。
• 個々の低周波数GWイベントにおけるエネルギーの転送は、特に高スピンSMBH合体では約10⁶³ ergに達する可能性がある。
• 10–300 Hz帯で検出された恒星質量BH合体は、FIR輝度が高く、金属量（Z_ch）が低い星形成銀河に最も多く宿っていると考えられ、ここでは大質量星の形成とBH形成が最大化されている。