[논문 리뷰] Can Experiments Studying Ultrahigh Energy Cosmic Rays Measure the Evolution of the Sources?

D. R. Bergman, G. B. Thomson외 7명|arXiv (Cornell University)|2006. 03. 29.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선 스펙트럼의 두 번째 무릎(약 10^17.6 eV)이 적색편이 z ≈ 1.6에서 은하간 소스의 진화가 끊어지는 현상일 수 있다고 제안한다. CMB 상호작용과 우주 팽창으로 인한 에너지 손실에 기인한 우주선 에너지-적색편이 상관관계는 이러한 소스의 빛의 밀도 진화 끊김이 우주선 플럭스에 스펙트럼 특징으로 나타나야 한다는 것을 의미하며, 이는 텔레스코프 어레이 실험을 통해 유일하게 검증 가능하다.

ABSTRACT

Interactions between cosmic ray protons and the photons of the cosmic microwave background radiation, as well as the expansion of the universe, cause cosmic rays to lose energy in a way that depends on the distance from the cosmic nray source to the earth. Because of this, there is a correlation between cosmic ray energies and the average redshift of their origin. This correlation may be exploited to measure the evolution of the sources of cosmic rays. Sky surveys of Quasi Stellar Objects (QSO's) and Active Galactic Nuclei (AGN's), made at optical and x-ray wavelengths, are consistent in showing that the evolution of such objects exhibits a break at a redshift, z, of about 1.6. At smaller redshifts, the luminosity density of QSO's and AGN's follows a $(1+z)^m$ distribution, with $m \sim 2.6$, and exhibit a much flatter distribution above the break. Measurements of the star formation rate are also consistent with this picture. If QSO's and AGN's are sources of ultrahigh energy cosmic rays the break in their evolution should appear in the cosmic ray spectrum at an energy of about $10^{17.6}$ eV. This is the energy of the second knee.

연구 동기 및 목표

• 관측된 우주선 스펙트럼의 두 번째 무릎이 약 10^17.6 eV에서 은하간 우주선 소스의 진화 끊김의 징후일 수 있는지 조사하기 위해.
• QSO와 AGN의 빛의 밀도 진화가 z ≈ 1.6에서 전이되는 것—즉, 그 아래에서는 (1+z)^m이 m ≈ 2.6로, 그 위에서는 더 평탄한 형태로 나타남—이 은하간 우주선 플럭스에 스펙트럼 특징을 남겨야 한다는 가설을 검증하기 위해.
• 텔레스코프 어레이 실험의 넓은 에너지 범위를 고려할 때, 이러한 잠재적 진화 특징을 식별할 수 있는지 확인하기 위해.
• 스펙트럼 구조와 연관된 조성 분석(X_max)을 통해 두 번째 무릎이 은하계 기원인지 은하간 기원인지를 구분하기 위해.

제안 방법

• 적색편이 z ≈ 1.6에서 끊김이 있는 소스 진화 모델을 사용하여 은하간 우주선 플럭스를 모델링하며, 그 아래에서는 빛의 밀도가 (1+z)^m 형태로, m ≈ 2.6이며 그 위에서는 더 평탄한 형태로 따른다.
• 우주선 에너지 손실(제임스-지프킨 감쇠 및 e+e− 쌍 생성)에 기인한 에너지-적색편이 상관관계를 이용하여 우주선 에너지를 소스의 적색편이로 매핑한다.
• HiRes 실험의 스펙트럼 및 조성 측정값(X_max 대 에너지)을 활용하여 약 10^18 eV에서 은하계에서 은하간 우주선으로의 전이를 제약한다.
• 텔레스코프 어레이(TA)와 그 저에너지 확장(TALE)이 10^16.5에서 10^20.5 eV에 걸쳐 연속적인 하이브리드 및 스테레오 커버리지 제공함으로써, 이벤트별 에너지 및 X_max 측정이 가능하다고 제안한다.
• 스테레오 및 하이브리드 모드를 활용하여 에너지 및 X_max를 상호 교정함으로써 불확도를 줄이고, 수소성(은하간) 및 무거운(은하계) 성분을 분리할 수 있다.
• 깊은 X_max를 가진 이벤트를 선별하여 은하간 수소성 성분을 고립하고, 이 부분집단에서 두 번째 무릎이 나타나는지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 우주선 스펙트럼의 두 번째 무릎이 약 10^17.6 eV에서 QSO와 AGN의 빛의 밀도 진화 끊김이 z ≈ 1.6에서 발생하는 것과 부합하는가?
• RQ2 우주선 에너지 손실에 기인한 에너지-적색편이 상관관계를 이용하여 소스 진화를 우주선 플럭스의 스펙트럼 특징과 연결할 수 있는가?
• RQ3 X_max를 통한 조성 분석을 통해 두 번째 무릎이 은하계 기원인지 은하간 기원인지 결정할 수 있는가?
• RQ4 텔레스코프 어레이 실험의 전체 에너지 커버리지로, 은하간 소스의 z ≈ 1.6에서의 진화 끊김에 해당하는 스펙트럼 끊김을 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 손실 상관관계에 기반하여, 약 10^17.6 eV에서의 두 번째 무릎은 적색편이 z ≈ 1.6에서 QSO와 AGN의 진화 끊김과 부합하는 것으로 예측된다.
• 적색편이 z ≈ 1.6에서 소스 진화 끊김이 발생하고, 그 아래에서는 m ≈ 2.6, 그 위에서는 더 평탄한 형태로 나타날 경우, 은하간 우주선 플럭스에 검출 가능한 스펙트럼 특징이 나타나야 한다.
• HiRes 실험은 10^17.6 eV에서 예측된 끊김을 검증하기에 충분한 저에너지 커버리지가 없으며, 에너지 범위가 약 10^17.5 eV에서 시작되고 큰 불확도를 가진다.
• 텔레스코프 어레이 실험은 10^16.5에서 10^20.5 eV까지의 전체 에너지 커버리지와 하이브리드/스테레오 기능을 갖추고 있어, 진화 가설을 검증하는 데 독보적인 조건을 제공한다.
• 만약 두 번째 무릎이 깊은 X_max를 가진 수소성(은하간) 성분에서 나타난다면, 이는 진화 기원 가설을 지지하는 것이다.
• 만약 두 번째 무릎이 오직 무거운(은하계) 성분에서만 나타난다면, 이는 은하계 기원임을 시사하며 진화 기반 설명을 무효화한다.