[논문 리뷰] The Possible Extragalactic Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays at the Telescope Array Hotspot

Hao-Ning He, Alexander Kusenko외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초거대은하단 평면 내에서의 자기장 편향을 모델링하여 텔레스코프 어레이의 초고에너지우주선 핫스팟의 기원을 조사한다. 이 과정에서 M82와 Mrk 180이 주요 갈락티크 외부 후보로 규명된다. 이들은 우주선을 경량 핵으로 제약하고, 향후 스펙트럼 데이터가 이러한 원천들 사이를 구별하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 논의한다.

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) collaboration has reported a hotspot, a cluster of 19 cosmic ray events with energies above $57$ EeV in a circle of $20^\circ$ radius centered at ${ m R.A.}(\alpha)=146.^\circ7$, ${ m Dec.}(\delta)=43.^\circ2$. We explore the hypothesis that the hotspot could originate from a single source. By considering the energy dependent deflections that are expected to affect arrival directions of cosmic rays propagating in cosmic magnetic fields, we identify the nearby starburst galaxy M82 and the bright nearby blazar Mrk 180 as two likely candidates. Furthermore, we constrain these hotspot cosmic rays to be light nuclei by adopting a specific magnetic field in the supergalactic plane. We discuss the prospects of discriminating between the candidate sources with current and future spectral data.

연구 동기 및 목표

• 텔레스코프 어레이가 기록한 Right Ascension = 146.7°, Declination = 43.2°에서 관측된 초고에너지우주선 핫스팟의 천체물리적 기원을 규명하는 것.
• 우주 자기장 내에서 에너지에 따라 변하는 편향을 모델링하여 핫스팟이 단일 갈락티크 외부 원천에서 기인하는지 평가하는 것.
• 특정 초거대은하단 자기장 모델을 사용하여 핫스팟의 우주선 조성을 경량 핵으로 제약하는 것.
• 미래의 스펙트럼 데이터가 M82와 Mrk 180와 같은 후보 원천들을 구별하는 데 얼마나 유용한지 평가하는 것.

제안 방법

• 초고에너지우주선의 궤적을 간성 자기장 내에서 모델링하여 초거대은하단 평면 내 편향에 집중하는 것.
• 에너지에 따라 변하는 편향 계산을 적용하여 도착 방향을 잠재적 원천으로 되돌리는 것.
• 특정 초거대은하단 평면 자기장 구성으로 우주선 조성을 경량 핵으로 제약하는 것.
• 관측된 도착 방향이 M82와 Mrk 180와 같은 후보 원천의 예측과 일치하는지 평가하는 것.
• 미래의 텔레스코프 어레이 스펙트럼 데이터로 원천들을 구별할 수 있는지 가능성 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 텔레스코프 어레인지 UHECR 핫스팟이 M82나 Mrk 180와 같은 단일 갈락티크 외부 원천에서 기인할 수 있는가?
• RQ2 초거대은하단 평면 내에서 에너지에 따라 변하는 자기장 편향이 핫스팟의 추정 기원에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 자기장 모델을 사용할 때 핫스팟의 우주선 조성에 어떤 제약을 두는 것이 가능한가?
• RQ4 미래의 텔레스코프 어레인지 스펙트럼 데이터로 M82와 Mrk 180 사이의 원천을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 근접한 별폭발 은하인 M82는 그 가까운 거리와 핫스팟 방향과의 정렬성으로 인해 텔레스코프 어레인지 UHECR 핫스팟의 타당한 원천으로 규명된다.
• 빛나는 근접 블라자인 Mrk 180 역시 그 위치와 기대되는 우주선 방출 특성으로 인해 강력한 후보로 규명된다.
• 특정 자기장 모델을 가정함으로써, 이 연구는 핫스팟 내 우주선이 경량 핵일 것임을 제약한다.
• 이 연구는 향후 텔레스코프 어레인지의 스펙트럼 데이터가 M82와 Mrk 180 사이의 원천을 식별하는 데 필요한 분별력을 제공할 수 있음을 입증한다.