[논문 리뷰] Extragalactic ultra high energy cosmic rays, II. Comparison with experimental data

Joerg P. Rachen, Todor Stanev외 1명|arXiv (Cornell University)|1993. 02. 04.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 FR-II 라디오은하의 활성핵에서 발생하는 초고에너지우주선(UHECR)의 이론적 예측을 최신 실험 데이터와 비교한다. 1 EeV 이하에서 예측된 양성자 주도의 플럭스와 프라이어즈 아이와 아케노의 관측 결과 사이에 뛰어난 일치를 보이며, 높은 에너지에서의 전체 UHECR 플럭스를도 설명하고, 스펙트럼 지수 -3.1과 5 EeV에서의 截단이 있는 은하수 성분의 무거운 원자핵을 지지한다.

ABSTRACT

We compare the expected contribution of FR-II hot spots to the ultra-high energy cosmic ray spectrum (Rachen & Biermann 1993, A&A in press, BB paper astro-ph/9301010) to improved experimental results. We introduce a "world data set" of UHE cosmic rays by comparing the data of various experiments, extracting relative systematic errors in the energy derivation and averaging over energy bins. Since the contribution of FR-II hot spots is expected to be dominated by protons, we can also compare it to the recent experimental results for the proton component of cosmic rays between 0.1 and 1 EeV from both the Fly's Eye and the Akeno airshower detector (Gaisser et al. 1993, Phys Rev D in press, and Stanev et al. 1992, A&A submitted). The result is striking: Our prediction for energies below 1 EeV fits very well to the data for the proton component, while explaining the total flux at highest energies as well. The result is consistent with the expectation of a galactic component, consisting of heavy nuclei only, that has a slope of about -3.1 and cuts off at 5 EeV, as predicted by Biermann 1993 (A&A in press, BB paper astro-ph/9301008)

연구 동기 및 목표

• FR-II 라디오은하의 활성핵이 은하간 초고에너지우주선의 주요 원천일 수 있다는 가설을 검증하기 위해.
• 최근 프라이어즈 아이와 아케노 검출기로부터의 실험 데이터와 일치하는 양성자 주도의 UHECR 플럭스 이론적 예측을 재확인하기 위해.
• Biermann(1993)이 예측한 바와 같이, 은하수 성분의 무거운 원자핵과의 일관성을 평가하기 위해.
• 다양한 실험의 결과를 통합하고 校정하여 UHECR 관측의 통합된 '세계 데이터 세트'를 구축하기 위해.
• 관측된 UHECR 스펙트럼이 은하간 양성자 원천과 은하수 성분의 무거운 이온의 조합으로 설명될 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 FR-II 활성핵에서의 우주선 가속 이론 모델을 사용하며, 여기서는 양성자 주도의 방출을 가정한다.
• 예측된 UHECR 스펙트럼을 여러 실험의 에너지 측정치를 교차 校정하여 만든 통합된 '세계 데이터 세트'와 비교한다.
• 다양한 실험 간 에너지 재구성의 체계적 오차를 추출하고 공통 에너지 구간에 걸쳐 평균화한다.
• 모델은 1 EeV 이하에서 FR-II 활성핵이 UHECR의 주요 원천이며, 파워 라이드 법칙과 일치하는 스펙트럼 지수를 가진다고 가정한다.
• 프라이어즈 아이와 아케노에서 0.1에서 1 EeV 사이의 양성자 성분에 대한 실험 데이터와의 비교를 분석에 포함한다.
• Biermann(1993)이 예측한 바와 같이, 스펙트럼 지수 -3.1과 5 EeV에서의 截단이 있는 은하수 성분의 무거운 원자핵을 모델에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FR-II 활성핵 모델은 0.1에서 1 EeV 사이의 관측된 양성자 성분의 초고에너지우주선을 설명할 수 있는가?
• RQ2 FR-II 원천에서 예측된 플럭스는 프라이어즈 아이와 아케노의 통합된 실험 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 최고 에너지에서 관측된 전체 UHECR 플럭스는 FR-II 활성핵 모델과 일치하는가?
• RQ4 스펙트럼 지수 -3.1과 5 EeV에서의 截단이 있는 은하수 성분의 무거운 원자핵을 포함시키면 데이터에 대한 전체적인 적합도가 향상되는가?
• RQ5 관측된 UHECR 스펙트럼에서 은하간 양성자와 은하수 성분의 무거운 원자핵의 상대 기여는 각각 얼마인가?

주요 결과

• FR-II 활성핵에서 예측된 플럭스는 0.1에서 1 EeV 사이의 우주선 양성자 성분에 대해 실험 데이터와 매우 우수한 일치를 보였다.
• 모델은 고에너지 영역에서의 전체 UHECR 플럭스를 성공적으로 설명하며, 관측된 스펙트럼과 일치한다.
• 이 일치는 FR-II 활성핵이 1 EeV 이하에서 은하간 UHECR의 주요 원천일 수 있다는 가설을 지지한다.
• 모델은 스펙트럼 지수 약 -3.1과 5 EeV에서의 截단이 있는 은하수 성분의 무거운 원자핵과도 일관된다.
• 분석 결과, 다양한 실험 간 에너지 캘리브레이션의 체계적 오차는 작으며, 에너지 구간에 걸쳐 신뢰성 있게 평균화할 수 있음을 밝혔다.
• 통합된 '세계 데이터 세트'의 구축은 이론과 실험 간의 강력한 비교를 가능하게 하여, 모델의 예측 능력을 확인시켰다.