[論文レビュー] Ultra-high energy cosmic rays from radio galaxies revisited

J. P. Rachen|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、特にケンタウルス・Aにおける電波銀河のコンpactで相対論的ジェット（ブラザール領域）から発するコリメートされた中性子ビームとして発生すると提案している。陽子はこれらのジェット内のフェルミ衝撃で加速され、その後中性子に変換され、Mpcスケールの距離を減衰せずに移動した後、陽子に崩壊することでコリメートされたUHECRビームを形成する。このモデルは、観測されたUHECRイベントがケンタウルス・Aのメインローブ軸と一致する現象を説明し、検出可能な高エネルギーニュートリノフラックスを予測する。

ABSTRACT

A striking concentration of ultra-high energy cosmic ray (UHECR) events observed by the Pierre Auger Observatory around the direction of the nearby radio galaxy Centaurus A revives the idea that radio galaxies may be dominant sources of UHECR. In this paper, we give a brief overview about processes which may accelerate protons and nuclei in radio galaxies, and their relation to jet power, radio morphology and cosmic source density. We argue that, except for the most powerful FR-II radio galaxies, processes in radio lobes are unlikely to explain the origin of UHECR. However, Fermi acceleration of protons at internal shocks in the "blazarzone" of all radio galaxies, and their photohadronic conversion into neutrons, may lead to the ejection of "UHECR-beams", which remain collimated over several Mpc. Consequences of this hypothesis for the interpretation of the UHECR event distribution, in particular for the special case of Centaurus A, are discussed.

研究の動機と目的

• FR-II電波銀河がUHECR源として支配的であるという事実に反する、ケンタウルス・A方向へのUHECRイベントの観測的集中を説明すること。
• 電波銀河の相対論的ジェット（ブラザール領域）におけるフェルミ加速が、陽子から中性子への変換とビームのコリメーションを経てUHECRを生成できるかどうかを調査すること。
• UHECRが長寿命でコリメートされた中性子ビームとして放出され、銀河間空間を通過した後に陽子に崩壊するという仮説を検証すること。
• ブラザールにおける宇宙ニュートリノフラックスおよびガンマ線放射メカニズムへの影響を評価し、特にハドロン的モデルと逆コンプトンモデルを区別すること。
• 将来のUHECR統計および電波ゴーストの低周波数電波観測を通じて、このモデルの検証可能性を評価すること。

提案手法

• 電波銀河のブラザール領域における相対論的衝撃波面での一次フェルミ加速を用いて、100 EeVに達する陽子のエネルギー増幅をモデル化する。
• 最大エネルギー推定式 E_max ~ ZeB′R′β′_shΓ を適用し、相対論的ジェット内の衝撃加速の可能性を評価する。
• 中性子ビームの伝播をモデル化：相対論的中性子（Γ ~ 10）は、弱い銀河間磁場の影響を受けても、600 kpc以上を通過した後もコリメーションを維持する。
• 陽子ビームの非コリメーション時間スケールを、GZKエネルギー損失時間スケールと比較し、ビームの安定性を評価する。
• Poisson統計を用いて、UHECRイベントがケンタウルス・Aのローブ軸と一致する確率を評価（3°×30°の帯域内に5イベントの場合、P ~ 2×10⁻⁸）。
• テスト可能なシグネチャとして、陽子ビーム内のパイオニオン崩壊に起因する、約1 EeVでピークを迎える宇宙ニュートリノフラックスを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波銀河のブラザール領域におけるフェルミ加速が、100 EeVを超えるUHECRを生成できるか？
• RQ2 UHECRイベントがケンタウルス・Aのメインローブと一致している現象は、コリメートされた中性子ビームモデルと整合的か？
• RQ3 銀河間磁場の影響を受けても、電波銀河からの中性子ビームがMpcスケールでコリメートされたままであるか？
• RQ4 このモデルは、IceCubeが検出可能な高エネルギーニュートリノフラックスを予測するか？
• RQ5 多周波数観測を通じて、ブラザールのガンマ線放射のハドロン的起源と逆コンプトン散乱を区別できるか？

主な発見

• このモデルは、ケンタウルス・Aの巨大ローブ軸に沿ったコリメートされた中性子ビームが原因で、UHECRイベントが集中している現象を説明でき、ランダムな一致の確率が約2×10⁻⁸という低確率である。
• 電波銀河のブラザール領域におけるフェルミ加速は、ジェットの高い整列ローレンツ因子（Γ ~ 10）と十分なハドロン含有量があれば、100 EeVを超えるエネルギーを持つ陽子を生成可能である。
• ブラザールからの中性子ビームは、相対論的ブーストのおかげで、600 kpcを超える距離を通過してもコリメーションを維持し、銀河間空間を最小限の偏光を受けて生存する。
• このモデルは、約1 EeVでピークを迎える宇宙ニュートリノフラックスを予測し、これは完全にレプトン的モデルとは明確に異なるテスト可能なシグネチャである。
• ケンタウルス・Aの巨大ローブは、過去の活性段階によって形成された可能性が高く、その際にUHECRビームが部分的に古い電波ゴースト構造を貫通し、照らした可能性がある。
• このモデルは、UHECRが主に陽子であると示唆し、もしこのメカニズムが正しければ、ブラザールにおけるガンマ線放射は逆コンプトンモデルではなくハドロン的起源でなければならない。