[논문 리뷰] The correlation of UHECRs with nearby galaxies in the Local Volume

Antonio J. Cuesta, Francisco Prada|ArXiv.org|2009. 10. 14.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 페르디앙 아우저 협동체의 데이터와 카라첸체프 등이 작성한 은하 목록을 이용하여, 초고에너지 우주선(UHECRs)과 10 Mpc 이내의 근접 은하들 사이의 상관관계를 조사한다. 연구는 UHECRs와 밝은 근접 은하들 사이에 2.6σ 상관관계(p_chance = 0.96%)를 발견하였으며, 이는 이러한 입자들이 국소적 기원을 가질 가능성을 시사한다. 특히, 이들의 조성이 CNO 유사한 경우, GZK 억제로 인해 이들의 이동 거리가 제한되어 국소 영역 내에서만 존재할 수 있기 때문이다.

ABSTRACT

We explore the possibility of a local origin for ultra high energy cosmic rays (UHECRs). Using the catalogue of Karachentsev et al. including nearby galaxies with distances less than 10Mpc (Local Volume), we search for a correlation with the sample of UHECR events released so far by the Pierre Auger collaboration. The counterpart sample selection is performed with variable distance and luminosity cuts which extract the most likely sources in the catalogue. The probability of chance correlation after penalizing for scans is 0.96%, which corresponds to a correlation signal of 2.6σ. We find that the parameters that maximize the signal are ψ=3.0deg, D_{max}=4Mpc and M_B=-15 for the maximum angular separation between cosmic rays and galaxy sources, maximum distance to the source, and sources brighter than B-band absolute magnitude respectively. This implies a preference for the UHECRs arrival directions to be correlated with the nearest and most luminous galaxies in the Local Volume. We note that nearby galaxies with D<10Mpc show a similar correlation with UHECRs as compared to that found by The Pierre Auger Collaboration using active galactic nuclei (AGNs) within 70-100Mpc instead of local galaxies, although less than 20% of cosmic ray events are correlated to a source in our study. However, the observational evidence for mixed composition in the high-energy end of the cosmic ray spectrum supports the possibility of a local origin for UHECRs, as CNO nuclei can travel only few Mpc without strong attenuation by the GZK effect, whereas the observed suppression in the energy spectrum would require more distant sources in the case of pure proton composition interacting with the CMB.

연구 동기 및 목표

• CNO 핵이 장거리에서 GZK 효과로 인해 강하게 감쇠되므로, UHECRs가 10 Mpc 이내의 근접 은하들에서 기인한다는 가설을 검증하기 위해.
• 다양한 스캔 매개변수를 고려한 통계적 방법을 사용하여, 관측된 UHECR 착수 방향이 밝은 근접 은하들과 상관관계가 있는지 평가하기 위해.
• 근접 은하들과의 상관관계가 AGN 기원 가설에 대한 타당한 대안 또는 보완이 될 수 있는지 판단하기 위해.
• 사후적 매개변수 스캔으로 인한 '다른 곳을 보는 효과'를 고려할 때, 관측된 상관관계가 얼마나 강인한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 페르디앙 아우저 협동체에서 제공한 27개의 UHECR 이벤트(에너지 >55 EeV)를 10 Mpc 이내의 은하 목록(Karachentsev 등)과 비교하여, 각도적 간격(ψ), 최대 거리(D_max), 절대 등급(M_B)에 따라 가변적인 절단 조건을 적용하였다.
• 상관관계 신호를 최대화하는 조합을 찾기 위해 파rameter 공간(ψ: 0°에서 10°까지, D_max: 1에서 10 Mpc까지, M_B: -10에서 -20까지)을 스캔하였다.
• 다양한 스캔 수를 고려하여 '다른 곳을 보는 효과'를 보정한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 우연의 상관관계 확률을 계산하였다.
• 관측된 상관관계 이벤트 수(5개)를 등방성 플럭스 조건에서 기대되는 수(0.5개)와 비교하여 상관관계의 유의성을 평가하였다.
• 상관관계가 있는 소스의 공간 분포를 초별좌표계를 사용하여 맵핑하였으며, 150° < SGL < 165° 및 -10° < SGB < -5° 영역에서 농도가 높은 것으로 나타났다.
• 이전 연구 결과인 페르디앙 아우저 협동체(2008년)에서 AGN과 유사한 유의미도를 발견한 바가 있으므로, 본 연구는 이 결과와의 비교를 통해 국소 은하 상관관계가 이전 결과의 결과일 수 있는지를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UHECRs의 착수 방향과 국소 영역 내 근접 은하들 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 다양한 스캔 매개변수를 고려한 후, 관측된 상관관계가 우연으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 상관관계 신호를 최대화하는 최적의 각도 간격, 최대 거리, 및 빛의 세기 임계값은 무엇인가?
• RQ4 GZK 효과와 조성 측정 결과의 제약 조건을 고려할 때, 근접 은하들과의 상관관계가 UHECR 기원에 대한 타당한 대안적 설명이 될 수 있는가?
• RQ5 관측된 국소 은하와의 상관관계가 이전에 보고된 AGN과의 상관관계와 일관되거나 그로부터 유래된 것인가?

주요 결과

• 다양한 스캔 매개변수를 보정한 후, UHECRs와 국소 영역 내 근접 은하들 사이에 2.6σ 상관관계가 발견되었으며, 우연의 확률은 0.96%였다.
• 신호를 최대화하는 최적의 매개변수는 ψ = 3.0°, D_max = 4 Mpc, M_B = -15였으며, 이는 가장 밝고 가장 가까운 은하들이 상관관계에 가장 크게 기여하고 있음을 시사한다.
• 27개의 UHECR 이벤트 중 5개가 목록에 포함된 은하들과 상관관계를 보였으며, 이는 등방성 플럭스 조건에서 예상되는 0.5개보다 유의미하게 높았다.
• 상관관계는 초별좌표계의 평면 근처(150° < SGL < 165°, -10° < SGB < -5°)에서 가장 강했으며, 이는 고밀도 구조물에서 유래하는 선호 방향을 시사한다.
• 국소 은하와의 상관관계는 페르디앙 아우저 협동체에서 이전에 발견한 AGN 상관관계와 유사한 유의미도를 보였지만, 스캔 보정 후 우연의 확률이 더 낮았다(0.96% 대비 약 6×10⁻³).
• 결과는 UHECRs의 국소 기원과 일관되며, 특히 CNO 유사 조성을 가진 입자들이 GZK 억제로 인해 약 4 Mpc 이내에서만 존재할 수 있으므로 국소 영역 내 기원이 타당하다.