[논문 리뷰] A New Limit on the Distances of Nuclei UHECRs Sources

Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선(UHECRs)이 GZK 절단 이론을 초과하는 경우에 주로 철 핵으로 구성되어 있다면, 광분해와 자기장에 의한 휘어짐으로 인해 그들의 전파가 단지 몇 메가파섹 이내로 제한된다는 주장을 펼친다. 이러한 상황에서, 이 거리 내에 위치한 가장 가까운 활성 은하핵인 수성자리자리은(centaurus A, Cen A)이 주요 원천이 되며, 자기장에 의해 방향성 신호가 소실되어 관측된 UHECR의 등방성( isotropy )을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

Recent evidence from the Pierre Auger Observatory suggests a transition, at 5 EeV-10EeV in the composition of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs), from protons to heavier nuclei such as iron. I consider here the implications of the heavier composition on the sources of UHECRs. The smaller magnetic rigidity implies that nuclei UHECRs are: (i) More easily accelerated (ii) Local, as they can diffuse only a few Mpc from their sources before disintegrating (iii) Isotropic, because large deflections in the extra galactic and the galactic magnetic fields erase the directional information. Uncertainties in the strength and structure of the the extra galactic magnetic field (EGMF) makes it difficult to estimate the overall effects. However, with typical reasonable parameters of a few nG and a coherence distance of a Mpc the distance a nuclei UHECR above the GZK energy traverses before photodisintegrating is only a few Mpc. In spite of the significantly weaker limits on the luminosity, Cen A is the only currently active potential source of nuclei UHECRs within this distance. The large deflections erases the directional anisotropy expected from a single source. If indeed the composition of above-GZK-UHECRs is iron and if the EGMF is not too small then Cen A is the dominant source of observed nuclei UHECRs above the GZK limit.

연구 동기 및 목표

• 피에르 아제르 관측소 데이터에서 제안하는 5–10 EeV 이상의 UHECR에서 철 성분으로의 전이가 초래하는 영향을 조사하기 위해.
• 철 핵의 더 높은 전하와 질량이 수소핵과 비교하여 가속화 및 전파에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 실제의 갈색성간 및 은하간 자기장 조건 하에서 철 UHECR의 최대 가능한 원천 거리를 결정하기 위해.
• 만약 성분이 확인된다면, 수성자리자리은(Centaurus A, Cen A)이 관측된 철 UHECR의 주요 원천이 될 수 있는지 평가하기 위해.
• 근처 강력한 원천인 Cen A가 존재하는 바에도 불구하고 UHECR의 관측된 등방성을 자기장 휘어짐 효과로 설명하기 위해.

제안 방법

• 우주 마이크파 배경(CMB)에서 철 핵의 광분해 시간 스케일을 사용하여 붕괴되기 전 최대 전파 거리를 추정한다.
• GZK 절단 에너지 임계값(≈50 EeV)과 에너지에 따라 변하는 광분해 단면적을 적용하여 철 핵의 평균 자유로움 길이를 계산한다.
• 일반적인 3–5 nG 및 1 Mpc의 일관성 길이를 가정하여, 갈색성간 자기장(EGMF)의 강도와 일관성 길이를 사용하여 최대 원천 거리를 추정한다.
• 특히 Cen A에서 활성 은하핵(AGNs) 내에서의 가속화를 위한 자기장 강도와 싱크로트론 손실 제약 조건을 평가한다.
• 확산 모델을 사용하여 갈색성간 및 은하간 자기장 내에서 철 핵의 휘어짐을 분석하고, 관측된 UHECR 도착 방향의 등방성과 비교한다.
• 주입률과 효율 계수를 사용하여 Cen A에서 UHECR 생성에 필요한 빛의 세기 요구 조건과 관측된 UHECR 플럭스를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 핵이 CMB에서 광분해되기 전에 GZK 에너지 이상의 UHECR로 전파될 수 있는 최대 거리는 얼마인가?
• RQ2 잠재적 UHECR 원천에서 철 핵의 자기장 강도와 가속 제약 조건은 수소핵과 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 UHECR의 등방성이 존재하는 바, 성분이 철일 경우, 근처에 강력한 원천인 Cen A가 여전히 데이터와 일치할 수 있는가?
• RQ4 갈색성간 자기장(EGMF)은 철 UHECR 원천의 관측 가능 거리를 어떻게 제한하는가?
• RQ5 일반적인 EGMF 파rameter를 가정할 때, GZK 거리 내에서 철 UHECR의 유일한 타당한 원천은 수성자리자리은(Centaurus A) 뿐인가?

주요 결과

• CMB 내 광분해로 인해, GZK 에너지 이상의 철 UHECR은 심지어 일반적인 EGMF 조건(약 3–5 nG 및 1 Mpc 일관성 길이)에서도 단지 몇 메가파섹(Mpc) 이내로 전파 거리가 제한된다.
• 3.8 ± 0.1 Mpc 거리에 위치한 Cen A는 이 거리 내에서 현재 활성인 유일한 밝은 원천이므로, 철 UHECR 생성에 있어 주요 후보이다.
• 갈색성간 및 은하간 자기장 내에서의 자기장 휘어짐은 크기가 약 일치하는(1 정도) 것으로 예상되며, 이는 근처 원천이 존재하는 바에도 불구하고 관측된 UHECR의 등방성을 설명한다.
• 관측된 UHECR 플럭스 약 0.45 × 10⁴⁵ erg/Mpc³/yr은 낮은 철 핵 가속 효율을 가정하더라도 Cen A가 유일한 원천일 경우에도 일치한다.
• Cen A에서의 싱크로트론 복사 세기와 입자 에너지 손실에 대한 이론적 제약 조건은 쉽게 충족되며, 이는 Cen A가 타당한 원천임을 뒷받침한다.
• 시뮬레이션 결과는 일반적인 EGMF 조건(철에 대해 약 50 nG의 등가값) 하에서 Cen A의 철 UHECR이 등방성을 띠는 것이 예상되며, 관측 결과와 일치함을 확인한다.