[논문 리뷰] Evidence for a Supergalactic Structure of Magnetic Deflection Multiplets of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Telescope Array Collaboration, Rasha Abbasi외 142명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 10년 치 Telescope Array 데이터를 사용하여 초고에너지 우주선(UHECRs)의 자기장 편향 패tern에서 초은하구조의 증거를 제시한다. UHECR 도착 방향과 초은하평면 사이에 사전 검토 후 4.1σ 상관관계를 확인하였으며, 이는 M82와 같은 은하계 외부의 극초고에너지 입자가 은하계 외부 자기장에 의해 편향됨을 시사한다. 특히, 시야선에 수직인 일관된 자기장 강도는 약 11 nG로 추정된다.

ABSTRACT

Evidence for a large-scale supergalactic cosmic ray multiplet (arrival directions correlated with energy) structure is reported for ultra-high energy cosmic ray (UHECR) energies above 10$^{19}$ eV using seven years of data from the Telescope Array (TA) surface detector and updated to 10 years. Previous energy-position correlation studies have made assumptions regarding magnetic field shapes and strength, and UHECR composition. Here the assumption tested is that, since the supergalactic plane is a fit to the average matter density of the local Large Scale Structure (LSS), UHECR sources and intervening extragalactic magnetic fields are correlated with this plane. This supergalactic deflection hypothesis is tested by the entire field-of-view (FOV) behavior of the strength of intermediate-scale energy-angle correlations. These multiplets are measured in spherical cap section bins (wedges) of the FOV to account for coherent and random magnetic fields. The structure found is consistent with supergalactic deflection, the previously published energy spectrum anisotropy results of TA (the hotspot and coldspot), and toy-model simulations of a supergalactic magnetic sheet. The seven year data post-trial significance of this supergalactic structure of multiplets appearing by chance, on an isotropic sky, is found by Monte Carlo simulation to be 4.2$σ$. The ten years of data post-trial significance is 4.1$σ$. Furthermore, the starburst galaxy M82 is shown to be a possible source of the TA Hotspot, and an estimate of the supergalactic magnetic field using UHECR measurements is presented.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 우주선(UHECRs)이 초은하평면에 따라 정렬된 상관관계를 보이는지 조사하기.
• UHECR 도착 방향에서 관측된 다중구조가 대규모 은하계 외부 자기장과 일치하는지 확인하기.
• 가장 뚜렷한 상관관계가 M82와 같은 특정 천체물질 원천을 향하고 있는지 평가하기.
• TA 핫스팟 방향에서 시야선에 수직인 일관된 자기장 성분의 강도를 추정하기.

제안 방법

• 구형 캡 섹션('웨지') 내에서 UHECR 도착 방향의 각도 상관관계를 분석하기 위해 10년 치 Telescope Array(TA) 데이터를 분석하였다.
• 사전 검토 후 유의미성을 평가하기 위해 통계적 방법을 사용하여 에너지-각도 상관관계를 식별하였다.
• 은하계 좌표를 90° 회전시켜 대칭성을 검증하고 초은하평면과의 정렬을 확인하였다.
• 이론적 예측과 비교하기 위해 상관관계 곡률을 피팅하였다.
• 3.7 Mpc의 이동 거리를 가정하고 양성자 조성 모델을 사용하여 자기장 강도를 추정하였다.
• 이전 연구에서의 은하계 외부 자기장과 원천 비균일성에 대한 일致성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UHECR 다중구조와 초은하평면 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 가장 뚜렷한 에너지-각도 상관관계가 TA 핫스팟과 일치하며, M82와 같은 특정 천체물질 원천을 향하고 있는가?
• RQ3 상관관계 방향에서 시야선에 수직인 일관된 자기장 성분의 강도는 얼마로 추정되는가?
• RQ4 관측된 상관관계가 은하계 평면 정렬과 비교하여 어떻게 다른가? 이는 은하계 외부 자기장 확산을 지지하는가?
• RQ5 결과가 은하계 외부 자기장의 이론적 및 관측적 추정치와 일치하는가?

주요 결과

• 10년 치 Telescope Array 데이터를 사용하여 UHECR 다중구조와 초은하평면 사이의 상관관계에서 사전 검토 후 4.1σ의 유의미성을 발견하였다.
• 가장 뚜렷한 단일 에너지-각도 상관관계는 7년치 데이터일 때 4.6σ(사전 검토 전), 10년치 데이터일 때 5.1σ(사전 검토 전)로 증가하였으며, 새로운 웨지 파rameter 스캔은 수행되지 않았다.
• 상관관계는 Telescope Array 핫스팟 바로 위에 위치하며, 그 기원은 M82와 같은 은하계 외부의 별형성 은하가 원천으로 일관된다.
• 순수한 양성자 조성 가정 하에, 시야선에 수직인 평균 일관된 자기장 성분은 11 nG로 추정된다.
• 3.7 Mpc의 이동 거리와 양성자 조성 가정 하에, 초은하평면과 관련된 평균 수직 자기장은 약 10 nG로 추정된다.
• 혼합 조성 또는 더 긴 이동 거리일 경우 자기장 강도 추정치는 더 작아지며, 이는 다른 이론적 및 관측적 제약 조건과 일치한다.