[論文レビュー] Ultra-High Energy Cosmic Rays Detected by the Pierre Auger Observatory: First Direct Evidence, and its Implications, that a Subset Originate in Nearby Radiogalaxies

Neil M. Nagar, Javier Matulich|Americanae (AECID Library)|Jun 19, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーリェル観測所が観測した超高エネルギー宇宙線（UHECRs）のうち、一部が周囲の拡張された電波構造（≥180 kpc）を有する近隣の電波銀河から来ているという、初めての直接的観測的証拠を提示している。UHECRの到着方向と天体カタログとの間の角度相関を用い、エネルギーが56 EeVを超える27個のUHECRのうち4つが近隣の拡張電波銀河と99.9%の有意性で相関していることが判明した。これにより、これらの銀河が少なくとも一部のUHECRの主な源であることが確立された。一方、残りのUHECRは有意な非等方性を示さなかった。

ABSTRACT

(abridged) The Pierre Auger Collaboration has reported 27 Ultra-High Energy Cosmic Ray Events (UHECRs) with energies above 56 EeV and well determined arrival directions as of 2007 August 31. They find that the arrival directions are not isotropic, but instead appear correlated with the positions of nearby AGNs. Our aim was to determine the sources of these UHECRs by comparing their arrival directions with more comprehensive source catalogs. Four (eight) of the 27 UHECRs with energy >56EeV detected by the Pierre Auger Observatory have arrival directions within 1.5deg (3.5deg) of the extended (>180kpc) radio structures of nearby radiogalaxies or the single nearby BLLac with extended radio structure. Conversely the radio structures of three (six) of all ten nearest extended radiogalaxies are within 1.5deg (3.5deg) of a UHECR; three of the remaining four radiogalaxies are in directions with lower exposure times. This correlation between nearby extended radiogalaxies and a subset of UHECRs is significant at the 99.9% level. This is the first direct observational proof that radio galaxies are a significant source of UHECRs. For the remaining ~20 UHECRs, an isotropic distribution cannot be ruled out at high significance. The correlation found by the Auger Collaboration between the 27 UHECRs and AGNs in the Veron-Cetty & Veron catalog at D < 71Mpc has a much lower significance when one considers only the ~20 UHECRs not `matched' to nearby extended radiogalaxies. No correlation is seen between UHECRs and supernovae, supernova remnants, nearby galaxies, or nearby groups and clusters of galaxies. The primary difference between the UHECR detections at the Pierre Auger Observatory and previous experiments may thus be that the Southern Hemisphere is more privileged with respect to nearby extended radiogalaxies.

研究の動機と目的

• ピエール・オーリェル観測所が56 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECRs）を検出する天体的源を特定すること。
• 以前に報告されたUHECRと活動銀河核（AGNs）との相関が、主に拡張電波構造を有する近隣の電波銀河によって駆動されているかどうかを検証すること。
• 電波銀河に一致しないUHECRが、等方的分布と整合的であるかどうかを確認すること。
• 拡張電波銀河に一致するUHECRを除いた場合のUHECR-AGN相関の有意性を評価し、H IIコアやその他の源タイプの役割を検討すること。

提案手法

• 200 Mpc以内の近隣天体カタログと、エネルギーが56 EeVを超える27個のUHECRの到着方向を、包括的なカタログと照合した。
• UHECRと電波銀河の拡張電波構造との一致を特定するため、角度分離閾値を1.5°および3.5°とした。
• 累積確率スキャンを用いた統計的有意性のテストを実施し、角度分離（ψ）と最大赤方偏移（z_max）の両方で、拡張電波銀河に一致するUHECRを含む・含まない場合を比較した。
• AGNカタログからH IIコアおよび高赤方偏移のQSOを除外し、相関結果のロバスト性を検証した。
• AGASAの以前のUHECRデータと比較し、観測所間での方向性の違いを評価した。
• 超新星、超新星残骸、銀河団・銀河群、およびその他の源タイプとの相関を評価し、代替的関連性を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 56 EeVを超えるUHECRの到着方向と、電波ローブが180 kpc以上である近隣の拡張電波銀河との間に、統計的に有意な相関があるか？
• RQ2 ヴェロン＝チェティ＆ヴェロンのカタログに記載されたAGNとUHECRとの間で報告された相関は、主に拡張電波銀河に関連するUHECRのサブセットに起因しているか？
• RQ3 拡張電波銀河に一致しない残りのUHECRは、等方的分布と整合的であるか？
• RQ4 超新星、超新星残骸、銀河団などの他の源タイプが、UHECRの到着方向と有意に相関しているか？
• RQ5 なぜピエール・オーリェル観測所は、AGASAなどの以前の実験よりも強いUHECR-AGN相関を示すのか？

主な発見

• エネルギーが56 EeVを超える27個のUHECRのうち、4つがセプテントリウス・アンドロメダ、NGC 7626など、近隣の電波銀河の拡張電波構造から1.5°以内に到着方向を持つ。
• 8個のUHECRが3.5°以内にあり、10個の最も近い拡張電波銀河のうち3つが1.5°以内にUHECRと一致しており、強い空間的相関が示された。
• UHECRと近隣の拡張電波銀河との間の相関は99.9%の信頼水準で有意であり、それらがUHECR源としての役割を果たしているという、初めての直接的観測的証拠となった。
• 拡張電波銀河に一致する4つのUHECRを除いた後、広義のAGNカタログとの相関の有意性は著しく低下し、これらの源が観測された非等方性の主因であることが示された。
• 拡張電波銀河に一致しない残りの約20個のUHECRは、高い有意性で等方的分布と整合的でないため、異なる起源であるか、相関がない可能性がある。
• 超新星、超新星残骸、近隣銀河、銀河団との間に有意な相関は認められず、これらは検出されたUHECRの主な源とは考えられないことが除外された。