[논문 리뷰] Search for correlation of UHECRs and BL Lacs in Pierre Auger Observatory data

Diego Harari|arXiv (Cornell University)|2007. 06. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2004년 1월부터 2007년 3월까지 페리에 어저 어보버바토리의 14,143개 사건을 바탕으로 초고에너지 우주선(UHECRs)과 블랙 라이온자리 BL(Blazar) 천체 간의 상관관계를 탐색한다. 이전 연구보다 더 높은 통계량을 확보했음에도 불구하고 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, BL 라이온자리 위치로부터 0.9° 이내의 UHECR 사건 수(11건)는 등방성 플럭스와 일치한다(기대값: 12.1). 이는 이전 AGASA 및 야쿠투스크 실험에서 보고된 초과 상관관계를 반박한다.

ABSTRACT

Several analyses of the data collected by other experiments have found an excess of cosmic rays in correlation with subclasses of BL Lacs. Data from the Pierre Auger Observatory do not support previously reported excesses. The number of events correlated with BL Lac positions is compatible with that expected for an isotropic flux.

연구 동기 및 목표

• 페리에 어저 어보버바토리의 고통계 데이터를 활용해 이전에 보고된 UHECR과 BL 라이온자리 천체 간의 상관관계를 검증한다.
• 다양한 에너지 임계값과 각도 스케일에서 잠재적인 UHECR–BL 라이온자리 연관성의 통계적 유의성을 평가한다.
• 이전 실험들(AGASA, 야쿠투스크)에서 초과 상관관계를 보고한 것과 HiRes에서 이러한 초과가 없었다는 결과 사이의 모순을 해결한다.
• HiRes 데이터에서 관측된 상관관계(10 EeV 이상, 0.9° 범위에서 유의미함)가 페리에 어저 데이터 세트에서 동일 조건 하에 예상되는지 평가한다.
• 확장된 검색을 통해 에너지 임계값과 각도 분리 범위를 스캔하면서 잔류 상관관계 신호가 남아 있는지 확인한다.

제안 방법

• 3 EeV 이상의 에너지와 60° 이하의 천정 각도를 가진 페리에 어저 어보버바토리 표면 검출기에서 확보한 14,143개의 UHECR 사건을 사용하였으며, 이 중 1,672건은 10 EeV 이상이었다.
• 등방성 플럭스 가정 하에 우연에 의해 k개 이상의 사건이 BL 라이온자리 위치와 연관될 확률 P를 계산하기 위해 이항 누적분포를 적용하였다.
• 에너지 임계값(3에서 38.8 EeV까지)과 각도 분리(0.9°에서 3°까지)를 스캔하여, 유의미성 평가를 위한 파rameter 공간 전체에서 P를 평가하였다.
• 다중 검정을 고려하기 위해 시뮬레이션된 등방성 사건 세트를 사용하여, 실제 데이터에서 관측된 P 값만큼 낮은 확률을 우연히 관측할 가능성의 추정치를 구하였다.
• HiRes 및 이전 실험의 결과와 비교하였으며, 북반구와 남반구 간의 노출 및 천체 밀도 차이를 보정하였다.
• 10번째 및 12번째 판의 활성은피성은하 및 블랙 라이온자리 천체 목록에서 확인된 BL 라이온자리 천체를 대상으로 하였으며, 광학 등급 m < 18이고 적색편이 z > 0.1 또는 알려지지 않은 경우를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페리에 어저 어보버바토리 데이터에서 UHECR 도착 방향과 BL 라이온자리 위치 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 페리에 어저 데이터 세트의 높은 통계량(10 EeV 이상의 사건 수가 이전 연구보다 6배 많음)은 이전에 보고된 BL 라이온자리와의 초과 상관관계를 지지하는가, 아니면 반박하는가?
• RQ3 HiRes에서 0.9° 및 E > 10 EeV 조건에서 보고된 상관관계 신호가 페리에 어저 데이터 세트에서도 동일 조건 하에 재현 가능한가?
• RQ4 에너지 임계값과 각도 분리 범위를 확장된 스캔을 통해 수행했을 때, 初기 테스트에서 발견되지 않은 잔류 상관관계 신호가 존재하는가?
• RQ5 관측된 상관관계는 등방성 UHECR 플럭스의 통계적 변동과 일치하는가, 아니면 진정한 천체물리적 연관성을 시사하는가?

주요 결과

• 확정된 BL 라이온자리 천체(m < 18)로부터 0.9° 이내의 UHECR 사건 수(11건)는 등방성 기대값 12.1건과 일치하며, 우연의 확률 P = 0.67이다.
• 모든 네 가지 테스트 케이스(A–D)에서 유의미한 상관관계 초과는 발견되지 않았으며, 이는 204개의 확인된 BL 라이온자리 천체와 10에서 38.8 EeV의 에너지 임계값을 포함한 검색을 포함한다.
• 확장된 스캔에서 관측된 최소 우연 확률 P는 0.03였으며, 이는 38.8 EeV 이상의 에너지에서 204개의 BL 라이온자리 천체로부터 2° 이내에 6건의 사건이 연관된 경우에 해당하지만, 이는 등방성 변동과 호환된다(12%의 시뮬레이션 세트에서 동일하거나 더 낮은 P 값을 관측함).
• HiRes 데이터에서 관측된 상관관계(10 EeV 이상, 0.9° 범위에서 11건)는 동일 조건 하에 페리에 어저에서 약 18.5건의 사건을 예측했지만, 실제로는 11건만 관측되었으며, 이는 상관관계 가설을 강하게 반박한다.
• 다양한 BL 라이온자리 천체 목록(9번째에서 12번째 판), 에너지 임계값, 각도 스케일에 걸쳐 결과가 강건하며, 어떤 설정에서도 유의미한 신호를 발견하지 못했다.
• 이 연구는 UHECR 도착 방향과 BL 라이온자리 사이에 상관관계의 증거가 없으며, 데이터는 등방성 플럭스와 완전히 일치한다고 결론내린다.