[논문 리뷰] A search for outstanding sources of PeV cosmic rays: Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring--But how about M33 and the Virgo cluster?

Г. В. Куликов, M. Yu. Zotov|arXiv (Cornell University)|2004. 07. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 모스크바 주립대학교의 EAS–1000 프로토타입 어레이에서 수집한 1.4백만 개의 광범위한 대기 샤워(0.1–10 PeV)의 도착 방향을 분석하여, 시리얼 시간과 애자이멀 각도에 의한 편향을 보정하기 위해 반복 알고리즘을 적용하였다. ≥3σ의 우주선 통계적 초과가 관측된 여러 영역을 특정하고, 이는 카시오페아 A, 크랩 성운, 모노제임 링 등 은하수 초신성 잔해, 펄서, 이온화 수소 영역과 강하게 상관관계가 있음을 보여주며, 또한 M33과 비르주 은하단과 같은 외은하계 기여 가능성도 드러냈다.

ABSTRACT

We study arrival directions of 1.4x10^6 extensive air showers (EAS) registered with the EAS--1000 Prototype Array in the energy range 0.1--10 PeV. By applying an iterative algorithm that provides uniform distribution of the data with respect to sidereal time and azimuthal angles, we find a number of zones with excessive flux of cosmic rays (CRs) at >=3 sigma level. We compare locations of the zones with positions of galactic supernova remnants (SNRs), pulsars, open star clusters, and regions of ionized hydrogen and find remarkable coincidences, which may witness in favour of the hypothesis that certain objects of these types, including the SNRs Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring and some other, provide a noticeable contribution to the flux of CRs in the PeV range of energies. In addition, we find certain signs of a contribution from the M33 galaxy and a number of comparatively nearby groups of active galactic nuclei and interacting galaxies, in particular those in the Virgo cluster of galaxies. The results also provide some hints for a search of possible sources of ultra-high energy (UHE) cosmic rays and support an earlier idea that a part of both UHE and PeV CRs may originate from the same astrophysical objects.

연구 동기 및 목표

• 광범위한 대기 샤워 대량 데이터를 분석하여 PeV 우주선의 도착 방향 이방성 원인을 규명하고자 한다.
• 특정 은하계 천체—초신성 잔해 및 펄서—가 PeV 우주선 통량에 중대한 기여를 한다는 가설을 검증하고자 한다.
• 특히 M33와 비르주 은하단과 같은 근접 은하 및 은하단으로부터의 외은하계 기여 가능성 탐색을 위해 PeV 우주선의 기여 기원을 탐색하고자 한다.
• PeV 우주선 초과 영역과 초고에너지 우주선(UHECR) 도착 방향 간의 상관관계를 분석하여 공통된 기원 천체에 대한 통찰을 확보하고자 한다.
• PeV 및 EeV 우주선 기원을 동시에 설명할 수 있는 단일 천체물리적 메커니즘 또는 천체 유형이 존재하는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 모스크바 주립대학교의 EAS–1000 프로토타입 어레이에서 확보한 에너지 0.1–10 PeV 범위의 1,366,010개 광범위한 대기 샤워 데이터셋을 활용하였다.
• 지구자전 주기(시리얼 시간) 및 애자이멀 각도에 기인한 데이터 분포의 비균형을 보정하기 위해 반복 알고리즘을 적용하여 하늘 전역에 걸쳐 균일한 노출 조건을 확보하였다.
• 통계적 군집화 및 유의성 검정을 통해 ≥3σ 유의수준에서 우주선 통량 초과 영역(ZEF)을 식별하였다.
• ZEF 위치를 은하수 초신성 잔해(SNR), 펄서, 개방성 항성단, OB-연합, HII 영역, 외은하계 천체(은하핵 활동성은하, 상호작용 은하)와 교차 상관 분석하였다.
• AGASA 어레이에서 확보한 초고에너지 우주선(UHECR) 도착 방향과 ZEF 위치 간의 공간적 일치 여부를 검토하였다.
• 계획 중인 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출된 초과의 유의성 및 체계적 편향을 평가하고자 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PeV 우주선의 도착 방향에 유의미한 이방성이 존재하여 국소적 천체물리적 기원을 지시하는가?
• RQ2 카시오페아 A, 크랩 성운, 모노제임 링 SNR와 같은 알려진 은하계 천체에서 PeV 에너지 범위에서 측정 가능한 통량 초과가 관측되는가?
• RQ3 M33나 비르주 은하단과 같은 외은하계 천체가 거리가 멀음에도 불구하고 PeV 우주선 통량에 기여할 수 있는가?
• RQ4 PeV 우주선 초과 영역과 4×10¹⁹ eV 이상의 초고에너지 우주선(UHECR) 도착 방향 간에 공간적 상관관계가 존재하는가?
• RQ5 동일한 천체물리적 천체 또는 메커니즘을 통해 PeV 및 EeV 우주선 기원을 통합적으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• ≥3σ 유의수준에서 여러 우주선 통량 초과 영역을 식별하였으며, 주로 은하수 구조 및 알려진 천체와 일치하는 경향을 보였다.
• ZEF와 알려진 은하수 PeV 우주선 후보자 간 강한 상관관계를 확인하였다: 카시오페아 A, 크랩 성운, 모노제임 링 SNR로, 이는 Chilingarian 등과 Benkő 등이 이전에 보고한 바와 일치한다.
• 근처 은하계 천체가 없는 한 개의 ZEF는 M33 은하를 포함하고 있어, 적어도 일부 PeV 통량이 외은하계 기원일 가능성을 시사한다.
• 다수의 나머지 ZEF는 z < 0.01 범위 내 근접한 활성은하핵(AGN) 및 상호작용 은하와 관련되어 있으며, 특히 비르주 은하단 내에 집중되어 있다.
• UHECR 도착 방향(AGASA 데이터 기반)과 여러 ZEF 간에 공간적 일치가 관측되어, PeV 및 EeV 우주선이 공통된 기원을 가질 수 있음을 뒷받침한다.
• 결과적으로 PeV 우주선은 이원적 기원을 가진 것으로 제안된다: 초신성 잔해 및 펄서에서 기인하는 은하계 성분과 중성 입자 또는 낮은 자기장 통로를 통해 기인할 수 있는 외은하계 성분.