[논문 리뷰] Signatures of AGN model for UHECR

V. Berezinsky, A. Z. Gazizov외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 10. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 관측된 에너지 스펙트럼, GZK 딤프, 그리고 AGN와의 상관관계를 바탕으로 10^19 eV 이상의 초고에너지 우주선(UHECRs)이 주로 BL Lacs인 활성은하핵(AGN)에서 유래한다고 제안한다. 이 모델은 우주마이크파배경(CMB)에서의 에너지 손실을 겪는 양성자 전파를 통해 데이터를 설명하며, AGASA에서 관측된 10^20 eV 이상의 초과 현상은 초거대 어둠소재의 붕괴에서 기인하는 두 번째 성분을 통해 설명한다.

ABSTRACT

We demonstrate that the energy spectra of Ultra High Energy Cosmic rays (UHECR) as observed by AGASA, Fly's Eye, HiRes and Yakutsk detectors, have the imprints of UHE proton interaction with the CMB radiation in the form of the dip at $E\sim 1 imes 10^{19}$~ eV, of the beginning of the GZK cutoff, and of very good agreement with calculated spectrum shape. We argue that these data, combined with small-angle clustering and correlation with AGN (BL Lacs), point to the AGN model of UHECR origin at energies $E \lsim 1 imes 10^{20}$ eV. The excess of the events at $E \gsim 1 imes 10^{20}$ eV, which is observed by AGASA (but absent in HiRes data) can be explained by another component of UHECR, e.g. by UHECR from superheavy dark matter.

연구 동기 및 목표

• 초기우주에서의 우주마이크파배경(CMB)과의 상호작용에 의한 양성자 상호작용을 통해 관측된 UHECR 에너지 스펙트럼, 특히 GZK 딤프와 절단부를 설명하기 위해.
• 관측된 소각도 군집화 및 BL Lacs와의 상관관계가 AGN가 UHECR의 주요 기원임을 지지하는지 조사하기 위해.
• AGASA는 관측한 1×10^20 eV 이상의 사건 초과 현상이 HiRes에서는 관측되지 않는 이유를 설명하고, 초거대 어둠소재 붕괴에서 기인하는 보조 성분을 제안하기 위해.
• 약한 간성외 자기장 하에서 직선적 양성자 전파의 가능성과, AGN 상관관계가 확인되지 않을 경우 자기장 렌즈 효과의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• Ω_total = 1, Ω_Λ = 0.7, H₀ = 70 km/s/Mpc를 갖는 천체물리 모델을 사용하고, 식 (1)을 통해 적색편이에 따라 시간 진화를 계산한다.
• 식 (1)의 형식을 활용하여 UHECR 스펙트럼을 계산하며, Ref. [5]의 방법론을 적용하여 CMB와의 상호작용에서 발생하는 연속적인 에너지 손실을 반영한다. 에너지 손실률 b₀(E)는 Refs. [14,15]에서 제공한다.
• E_c = 1×10^18 eV, γ_g = 2.7(비진화형) 또는 2.5(진화형, m=3)인 끊어진 거듭제곱 법칙으로 생성된 스펙트럼을 사용하여 관측된 스펙트럼을 모델링한다. E_max = 1×10^21 eV로 설정한다.
• 식 (4)를 통해 적색편이에 따른 에너지 확대를 계산하고, 식 (5)의 지수적 에너지 손실 적분을 통해 천체물리적 진화를 고려한다.
• 비진화형 및 진화형 모델 모두에서 CR 방출 밀도 L₀ ≈ (2.5–3.5)×10^46 erg/s/Mpc³가 필요하다고 평가한다.
• 산산이 흩어지는 길이와 감쇠 길이를 통해 자기장 제약 조건을 평가하며, 약한 자기장에 대해 약 6×10^{-10} G 이하의 상한선을 유도한다. 만약 AGN 상관관계가 확인되지 않으면 자기장 렌즈 효과를 군집화의 대안 설명으로 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 UHECR 스펙트럼이 GZK 딤프와 절단부를 명백히 보이며, 이는 CMB와의 상호작용에 의한 양성자 상호작용의 징후인가?
• RQ2 소각도 군집화 및 BL Lacs와의 상관관계가 AGN가 UHECR 기원으로서 작용할 수 있으며, 직선적 양성자 전파를 가정할 경우 설명 가능한가?
• RQ3 왜 AGASA는 1×10^20 eV 이상에서 사건 초과 현상을 관측했는가? HiRes는 이를 관측하지 못한 이유는 무엇이며, 이를 설명할 수 있는 다른 기원은 무엇인가?
• RQ4 AGN에서 지구까지 직선적으로 전파되는 초고에너지 양성자를 허용할 수 있는 간성외 자기장의 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 관측된 스펙트럼이 AGN 양성자와 초거대 어둠소재 붕괴에서 기인하는 두 번째 성분을 포함하는 이중성분 모델과 일치하는가?

주요 결과

• AGASA, Fly’s Eye, HiRes, Yakutsk에서 관측된 UHECR 스펙트럼은 약 1×10^19 eV에서 명백한 딤프와 GZK 절단의 시작을 보이며, 이는 CMB와의 상호작용에 기인한 것으로 일관된다.
• 비진화형(γ_g = 2.7) 및 진화형(γ_g = 2.5) 끊어진 거듭제곱 법칙으로 생성된 AGN 기원 스펙트럼의 계산 결과는 모든 검출기에서 관측된 데이터의 형상과 잘 일치한다.
• AGASA에서 관측된 1×10^20 eV 이상의 초과 현상은 부드러운 스펙트럼(γ_g ≈ 1.9–2.0)을 갖는 두 번째 성분으로 잘 설명되며, 이는 초거대 어둠소재 붕괴의 예측과 일치한다.
• AGN 모델에 필요한 CR 방출 밀도는 L₀ ≈ (2.5–3.5)×10^46 erg/s/Mpc³로, 관측된 AGN의 빛의 세기와 일치한다.
• 직선 전파를 허용하기 위해 간성외 자기장은 매우 약해야 하며, ≤6×10^{-10} G 이하여야 하며, 현재의 파라데이 회전 제한 조건과도 충돌하지 않는다.
• 만약 AGN 상관관계가 확인되지 않으면, 은하단과 같은 지역에서 형성된 자기장 버블에서 기인하는 자기장 렌즈 효과가 소각도 군집화를 설명할 수 있으며, 산산이 흩어지는 길이 l_sc ~ 10^3 Mpc로 추정된다.