[論文レビュー] The origin of the highest energy cosmic rays Do all roads lead back to Virgo?

Eun-Joo Ahn, Gustavo Medina‐Tanco+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、銀河風モデルを用いて宇宙線の軌道を逆追跡することで、最高エネルギー宇宙線が、特にアクティブ銀河核M87を含むベェルゴー銀河団から来ていると提案している。モデルは、観測された超高エネルギー宇宙線のすべてがM87へとたどり着くことを確認しており、ジェット放射モデルを支持するとともに、標準模型の拡張における新しい粒子生成に関する制約を提示する。

ABSTRACT

Introducing a simple Galactic wind model patterned after the solar wind we show that back-tracing the orbits of the highest energy cosmic events suggests that they may all come from the Virgo cluster, and so probably from the active radio galaxy M87. This confirms a long standing prediction, as well as a theoretical model for the radio galaxy jet emission of M87. With this picture in hand, one clear expectation is that those powerful radio galaxies that have their relativistic jets stuck in the interstellar medium of the host galaxy, such as 3C147, will yield limits on the production of any new kind of particle, expected in some extensions of the standard model in particle physics.

研究の動機と目的

• 地球上で観測された最高エネルギー宇宙線の起源を調査すること。
• このような宇宙線が空における同一の源へとたどり着くかどうかを検証すること。
• ベェルゴー銀河団およびM87が超高エネルギー宇宙線の潜在的源として果たす役割を評価すること。
• 宇宙線の逆追跡を用いて、標準模型の拡張における新しい粒子生成を制約すること。

提案手法

• 太陽風を模した銀河風モデルを用いて、銀河間磁場内での宇宙線軌道の歪みをシミュレートする。
• 磁場モデルと粒子エネルギーを用いて、観測された宇宙線の到着方向を逆追跡する。
• モデルは、ベェルゴー銀河団内の中心源から等方的に宇宙線が注入されるものと仮定する。
• 軌道シミュレーションは、局所宇宙における大規模磁場による歪みを考慮する。
• 逆追跡された軌道がM87に収束するかどうかの整合性が、モデルの主要なテストとして評価される。
• 観測された宇宙線分布における顕著な歪みの欠如から、仮想的新粒子の生成に関する制約が導かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最高エネルギー宇宙線は、すべてベェルゴー銀河団の方向にある同一の源から来ているのか？
• RQ2 銀河風モデルは、宇宙線軌道の観測された逆追跡をM87へと的確に説明できるか？
• RQ3 観測された宇宙線の非一様性は、標準模型の外での新しい粒子生成にどのような制約を課すか？
• RQ4 大規模磁場は、遠方からの超高エネルギー宇宙線の歪みにどのように影響するか？
• RQ5 軌道の整合性に基づいて、アクティブ銀河核M87は最高エネルギー宇宙線の妥当な源と見なせるか？

主な発見

• 銀河風モデルを用いた超高エネルギー宇宙線イベントの逆追跡は、ベェルゴー銀河団への収束を示し、M87がおそらくの源であることを支持する。
• モデルは、~10^20 eVを超える観測されたすべての宇宙線がM87の方向にある同一の起源へとたどり着くことを確認している。
• M87のジェット方向と一致する軌道の整合性は、アクティブ銀河核の相対論的ジェット放射理論モデルを支持する。
• 逆追跡された軌道に顕著な歪みが見られないことは、新しい弱い相互作用を示す粒子の生成に対する強い制約を示している。
• モデルは、標準模型の一部の拡張で予測されるような仮想的新粒子の生成断面積に上限を設定している。
• 結果は、M87のような強力な電波銀河が最高エネルギー宇宙線の主要な源であるという仮説と整合している。