[論文レビュー] Ultrahigh energy cosmic rays as heavy nuclei from cluster accretion shocks

Susumu Inoue, G. Sigl+2 more|ArXiv.org|Nov 7, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、10^19 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）が、質量の大きな銀河団の周囲で発生する降着衝撃波によって加速された重い原子核（特に鉄族元素）に起因すると提案する。重い原子核の注入を強化した衝撃波加速モデルを用いることで、観測されたUHECRスペクトルと組成が再現され、約10^20 eVでスペクトルの硬化が予測され、光子対生成による検出可能なX線およびガンマ線シグナルとも関連づけられる。

ABSTRACT

Large-scale accretion shocks around massive clusters of galaxies, generically expected in hierarchical scenarios of cosmological structure formation, are shown to be potential sources of the observed ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) by accelerating a mixture of heavy nuclei including the iron group elements. Current observations can be explained if the source composition at injection for the heavier nuclei is somewhat enhanced from simple expectations for the accreting gas. The proposed picture should be testable by current and upcoming facilities in the near future through characteristic features in the UHECR spectrum, composition and anisotropy. The associated X-ray and gamma-ray signatures are also briefly discussed.

研究の動機と目的

• 標準的宇宙物理学的モデルでは説明できない10^18 eVを超えるエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を説明すること。
• 階層的宇宙論に広く存在する質量の大きな銀河団における降着衝撃波が、重い原子核をUHECRエネルギーまで加速できるかどうかを調査すること。
• 重い原子核の割合を強化した物理的に妥当な注入モデルを用いて、観測されたUHECRのフラックス、スペクトル、組成を一致させること。
• 光子対生成および光分解過程から生じるX線およびガンマ線バンドにおける検証可能なマルチメッセンジャーシグナルを予測すること。
• 近い将来のUHECR実験で、非等方性および組成の変化を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 降着衝撃波を標準的な流体力学的および磁場パラメータでモデル化：衝撃波半径～3.2 Mpc、衝撃波速度～2200 km/s、磁場～1 μG。
• ボーム限界拡散と衝撃波加速時間スケールを適用：t_acc ∝ E / (Z e B V²)、CMBおよびFIRBとの相互作用によるエネルギー損失時間スケールも考慮。
• エクストラギャラクティック磁場（EGMF）を介したUHE原子核の伝播をシミュレートし、光分解、光子対生成、光核反応損失を含む。
• 注入スペクトルを ∝ E^(-α) exp(-E/E_max) とし、E_max/Z = 5×10^18 eV と設定。元素組成を金属量ζ=0.2とし、重い原子核に増幅要因A^βを導入。
• HiRes、Auger、AGASAのデータと比較し、EGMFモデルおよび宇宙統計的ばらつきを変動させたシミュレーションを実施。
• クラスターパラメータをコマ型システムを基準にし、HESS、MAGIC、Suzaku、NeXTの感度と照合して、陽子誘発光子対カスケードからのX線およびガンマ線放射を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子対生成および光分解損失を考慮しても、質量の大きな銀河団の降着衝撃波が、重い原子核を10^20 eVを超える超高エネルギーまで加速できるか？
• RQ2 クラスターショックでの重い原子核の注入を強化したモデルが、観測されたUHECRスペクトルと組成（特に3×10^19 eV以上で平均質量が上昇する現象）を再現できるか？
• RQ3 クラスターショックにおけるUHE陽子および原子核が引き起こす光子対カスケードから予想されるX線およびガンマ線シグナルは何か？
• RQ4 エクストラギャラクティック磁場（EGMF）は、銀河団源からのUHECRの非等方性にどのように影響を及ぼすか？強い電荷依存性による偏移があっても、全体の等方性は保たれるか？
• RQ5 現在および将来のUHECR実験が、組成および到着方向パターンの観点から、本モデル（クラスターショック源）と他のUHECR起源モデルを区別できるか？

主な発見

• 鉄原子核は、Zに反比例する短い加速時間スケール（t_acc ∝ 1/Z）のおかげで、光分解および光子対生成損失を経ても、約10^20 eVまで加速可能である。
• α=1.7、β=0.5のモデルが、HiResおよびAugerの統計的ばらつきと宇宙統計的ばらつきを合わせた2σ以内で、観測されたUHECR微分および積分フラックスを再現する。
• 予測される平均質量は、約3×10^19 eV以上で急激に増加し、最近のAugerによるシャワー延長率の結果およびHiResの低エネルギー域での軽い組成と整合する。
• CRエネルギー分率f_CRはEGMFに依存して約0.002～0.3の範囲であり、中程度の効率を示し、収束する降着流およびCRの漏出メカニズムに制限される可能性がある。
• クラスタ密度が低くても、EGMF内での高電荷原子核の強い偏移が、全体の等方性を維持する一方、十分な統計的データがあれば個々の源からの検出可能な非等方性が生じる。
• 光子対カスケードからの予測X線およびTeVガンマ線放射（ピークは約10–100 keVおよび約1–10 TeV）は、HESS、MAGIC、Suzaku、NeXTで検出可能であり、マルチメッセンジャー検証の可能性を提供する。