[논문 리뷰] Ultra-High Energy Cosmic Rays Detected by the Pierre Auger Observatory: First Direct Evidence, and its Implications, that a Subset Originate in Nearby Radiogalaxies

Neil M. Nagar, Javier Matulich|Americanae (AECID Library)|2008. 06. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 25인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 페르디앙 오벨러버토리에서 관측한 초고에너지 우주선(UHECRs)의 일부가 확장된 라디오 구조(≥180 kpc)를 가진 근접한 라디오은하계에서 유래한다는 첫 번째 직접 관측 증거를 제시한다. UHECR 도착 방향과 천체망원경 목록 간의 각도 상관관계를 사용하여, 56 EeV 이상의 에너지를 가진 27개의 UHECR 중 4개가 근접한 확장된 라디오은하계와 99.9% 유의미한 상관관계를 보였으며, 이는 적어도 일부 UHECR의 주요 원천으로서의 역할을 입증한다. 나머지 UHECR들은 유의미한 이방성 없이 분포되어 있다.

ABSTRACT

(abridged) The Pierre Auger Collaboration has reported 27 Ultra-High Energy Cosmic Ray Events (UHECRs) with energies above 56 EeV and well determined arrival directions as of 2007 August 31. They find that the arrival directions are not isotropic, but instead appear correlated with the positions of nearby AGNs. Our aim was to determine the sources of these UHECRs by comparing their arrival directions with more comprehensive source catalogs. Four (eight) of the 27 UHECRs with energy >56EeV detected by the Pierre Auger Observatory have arrival directions within 1.5deg (3.5deg) of the extended (>180kpc) radio structures of nearby radiogalaxies or the single nearby BLLac with extended radio structure. Conversely the radio structures of three (six) of all ten nearest extended radiogalaxies are within 1.5deg (3.5deg) of a UHECR; three of the remaining four radiogalaxies are in directions with lower exposure times. This correlation between nearby extended radiogalaxies and a subset of UHECRs is significant at the 99.9% level. This is the first direct observational proof that radio galaxies are a significant source of UHECRs. For the remaining ~20 UHECRs, an isotropic distribution cannot be ruled out at high significance. The correlation found by the Auger Collaboration between the 27 UHECRs and AGNs in the Veron-Cetty & Veron catalog at D < 71Mpc has a much lower significance when one considers only the ~20 UHECRs not `matched' to nearby extended radiogalaxies. No correlation is seen between UHECRs and supernovae, supernova remnants, nearby galaxies, or nearby groups and clusters of galaxies. The primary difference between the UHECR detections at the Pierre Auger Observatory and previous experiments may thus be that the Southern Hemisphere is more privileged with respect to nearby extended radiogalaxies.

연구 동기 및 목표

• 페르디앙 오벨러버토리에서 관측한 56 EeV 이상의 초고에너지 우주선(UHECRs)의 천체물리적 원천을 규명하는 것.
• 이전에 보고된 우주선과 활성은하핵(AGNs) 간의 상관관계가 주로 확장된 라디오 구조를 가진 근접한 라디오은하계에 의해 주도되는지 테스트하는 것.
• 라디오은하계와 상관관계가 없는 나머지 UHECRs가 등방분포와 일치하는지 여부를 판단하는 것.
• 확장된 라디오은하계와 연관된 UHECRs를 제외한 상황에서 UHECR-AGN 상관관계의 유의미성을 평가하고, H II 핵 및 기타 소스 유형의 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 200 Mpc 이내의 근접한 천체소스 종합 목록과 56 EeV 이상의 에너지를 가진 27개의 UHECR 도착 방향을 교차상관관계 분석하였다.
• UHECR과 라디오은하계의 확장된 라디오 구조 간의 매칭을 위해 각도 분리 임계값을 1.5° 및 3.5°로 설정하였다.
• 누적 확률 스캔을 통해 각도 분리(ψ) 및 최대 적색편이(z_max)에서 통계적 유의성 검증을 실시하였으며, 확장된 라디오은하계와 매칭된 UHECR을 포함하거나 제외한 경우를 비교하였다.
• 결과의 강인성을 테스트하기 위해 AGN 목록에서 H II 핵과 고적색편이 QSOs를 제외하였다.
• 이전의 AGASA 데이터와 비교하여 관측소 간 방향 차이를 평가하였다.
• 초신성, 초신성 잔해, 은하군, 은하단 등 다른 소스 유형과의 상관관계를 평가하여 대체 연관성을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 56 EeV 이상의 에너지를 가진 UHECR의 도착 방향과 180 kpc 이상의 라디오 루프를 가진 근접한 확장된 라디오은하계 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 베론-세띠 및 베론 카탈로그에 보고된 UHECR과 AGN 간의 이전 상관관계가 주로 확장된 라디오은하계와 연관된 UHECR의 부분집합에 의해 주도되는가?
• RQ3 확장된 라디오은하계와 매칭되지 않은 나머지 UHECR들은 등방분포와 일치하는가?
• RQ4 초신성, 초신성 잔해, 은하단 등 다른 소스 유형이 UHECR 도착 방향과 유의미한 상관관계를 보이는가?
• RQ5 왜 페르디앙 오벨러버토리에서는 이전 실험인 AGASA보다 더 강한 UHECR-AGN 상관관계를 보이는가?

주요 결과

• 에너지가 56 EeV 이상인 27개의 UHECR 중 4개가 세인타우루스 A, NGC 7626 등 근접한 라디오은하계의 확장된 라디오 구조와 1.5° 이내의 도착 방향을 가짐.
• 8개의 UHECR이 3.5° 이내에 위치하며, 10개의 가장 가까운 확장된 라디오은하계 중 3개가 UHECR과 1.5° 이내에 위치하여 강한 공간적 상관관계를 나타냄.
• UHECR과 근접한 확장된 라디오은하계 간의 상관관계는 99.9% 신뢰수준에서 유의미하며, 이는 이들이 UHECR의 원천으로서의 역할을 직접 관측적으로 입증하는 최초의 증거이다.
• 확장된 라디오은하계와 매칭된 4개의 UHECR을 제외한 후, 전체 AGN 카탈로그와의 상관관계 유의미성은 크게 감소하여, 이 소스들이 관측된 이방성의 주요 기여자임을 시사함.
• 라디오은하계와 매칭되지 않은 약 20개의 UHECR들은 높은 유의미성에서 등방분포와 일치하지 않으며, 이는 다른 기원을 가졌거나 상관관계가 없음을 시사함.
• 초신성, 초신성 잔해, 근접한 은하, 은하단 등과의 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, 이들이 관측된 UHECR의 주요 원천이 아니라고 배제함.