[논문 리뷰] Limit on intergalactic magnetic field from ultra-high-energy cosmic ray hotspot in Perseus-Pisces region

A. Neronov, D. Semikoz외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 57인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 페르세우스-피스케스 슈퍼클러스터 내에 존재하는 UHECR 핫스팟의 존재를 이용하여, 천구의 공백인 토라우스 공백에서의 간행성 자기장(IGMF)에 대한 최초의 상한을 유도한다. UHECR 궤적의 휨을 분석함으로써, 상관 길이가 70 Mpc 이상인 경우 IGMF는 $10^{-10}$ G 이하이어야 하며, 이는 이전의 파라데이 회절 측정치보다 더 강력한 제약 조건을 제공한다. 또한 이는 대규모 구조의 공백에서 자기장을 제약하는 최초의 결과이다.

ABSTRACT

Telescope Array collaboration has reported an evidence for existence of a source of ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) events in Perseus-Pisces supercluster. We show that the mere existence of such a source imposes an upper bound on the strength of intergalactic magnetic field (IGMF) in the Taurus void lying between the Perseus-Pisces supercluster and the Milky Way galaxy. This limit is at the level of 10^{-10} G for a field with correlation length larger than the distance of the super-cluster ~ 70 Mpc. This bound is an order-of-magnitude stronger that the previously known bound on IGMF from radio Faraday rotation measurements and it is the first upper bound on magnetic field in the voids of the Large Scale Structure.

연구 동기 및 목표

• 대규모 구조 내 낮은 물질 밀도 지역인 토라우스 공백에서 간행성 자기장(IGMF)에 대한 새로운 상한을 유도하는 것.
• 페르세우스-피스케스 슈퍼클러스터 내 관측된 UHECR 핫스팟을 이용하여 IGMF 강도를 탐지하는 것. 강력한 IGMF는 원천의 각도적 구조를 흐트러뜨리므로 이를 활용한다.
• 이전에 UHECR 데이터로 탐지되지 않았던 공백 영역에 초점을 맞춰 기존 IGMF 제약 조건을 향상시키는 것.
• 기존 감마선 조사에서의 하한 제약 조건과 UHECR 관측을 조합하여 다중 메신저 기반의 천체물리적 자기장 제약 조건을 수립하는 것.

제안 방법

• 테레스코프 어레이 데이터에서 관측된 UHECR 핫스팟의 각도적 범위(RA ≈ 19°, Dec ≈ 35°, ΘPP ≈ 20°)를 IGMF 강도에 대한 제약 조건으로 사용한다.
• 페르세우스-피스케스 슈퍼클러스터에서 지구까지의 선로 상에서 초고에너지 우주선(UHECR)의 자기장에 의한 휨을 모델링하며, 양성자 및 경량 원자핵을 가정한다.
• IGMF가 관측된 각도적 척도 내에서 UHECR 궤적을 완전히 무작위화할 정도로 강력하다면 핫스팟은 관측될 수 없다는 가정을 한다.
• UHECR 궤적 시뮬레이션과 기존의 은하 자기장(GMF) 모델을 조합하여 간행성 자기장의 기여를 분리한다.
• IGMF에 의한 휨이 관측된 원천의 각도적 범위를 초과하지 않도록 요구함으로써 상한을 도출한다.
• GMF 모델의 불확실성과 원천 거리의 불확실성을 고려하여, 핫스팟을 파괴할 수 있는 최소 IGMF에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르세우스-피스케스 슈퍼클러스터 내 UHECR 핫스팟의 존재를 이용하여, 토라우스 공백에서 간행성 자기장(IGMF)에 대한 상한을 어떻게 설정할 수 있는가?
• RQ2 관측된 UHECR 원천의 각도적 범위는 선로 상에서 IGMF의 강도와 상관 길이를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 UHECR 데이터는 기존의 파라데이 회절 측정치보다 공백 영역 내 IGMF에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ4 UHECR 기반의 IGMF 상한은 다른 천체물리적 및 천체역학적 제약 조건과 비교하여 어떻게 평가될 수 있는가?
• RQ5 미래에 UHECR과 감마선 관측을 조합한 다중 메신저 관측을 통해 천체물리적 자기장을 탐지할 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 UHECR 데이터를 이용하여 천구 공백, 특히 토라우스 공백에서 간행성 자기장(IGMF)에 대한 최초의 상한을 설정한다.
• 상관 길이가 70 Mpc 이상인 경우 IGMF 강도는 $10^{-10}$ G 이하로 제약된다. 이는 페르세우스-피스케스 슈퍼클러스터까지의 거리이다.
• 이 제약 조건은 이전에 가장 강력했던 라디오 파라데이 회절 측정치보다 한 수준 더 강력하다.
• 이 제약 조건은 이전에 UHECR 관측으로 탐지되지 않았던 대규모 구조의 공백 영역에서 IGMF를 제약하는 최초의 결과이다.
• 기존 감마선 조사에서의 비관측에 기반한 하한 제약 조건 $10^{-16}$ G 와 조합하면, 토라우스 공백 내 IGMF는 $10^{-16} \, \text{G} < B < 10^{-10} \, \text{G}$ 로 제약된다.
• UHECR 기반의 상한은 UHECR 원천 상관관계 연구에서의 제약 조건과 유사한 강도를 가지나, 고립된 핫스팟의 특성 덕분에 체계적 오차가 더 적다.