[논문 리뷰] Ultra high-energy cosmic rays from beyond the Greisen-Zatsepin-Kuz'min horizon

Ellis R. Owen, Qin Han외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 27.

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한 줄 요약

이 논문은 초고에너지우주선(UHECRs)이 전통적인 그라이젠-자츠핀-쿠즈민(GZK) 원점 초과(적색편이 z ∼ 2–3 수준)의 천체에서 유래한 경우, 광자분열 및 광자파이온 상호작용으로 인해 지구에서 관측되는 UHECR 플럭스에 상당한 기여를 할 수 있음을 보여준다. 강한 감쇠에도 불구하고 이러한 먼 천체에서 기인한 우주선은 상당한 등방성 배경 성분을 형성하며, 이는 근접한 천체에서 기인한 비등방성 전경과 공존한다. 이 플럭스의 조성은 천체 집단의 특성과 핵종 조성에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Ultra-high-energy (UHE) cosmic rays (CRs) of energies $\sim (10^{18}-10^{20})~{ m eV}$, accelerated in violent astrophysical environments, interact with cosmic background radiation fields via photo-hadronic processes, leading to strong attenuation. Typically, the Universe would become `opaque' to UHE CRs after several tens of Mpc, setting the boundary of the Greisen-Zatsepin-Kuz'min (GZK) horizon. In this work, we investigate the contribution of sources beyond the conventional GZK horizon to the UHE CR flux observed on Earth, when photo-spallation of the heavy nuclear CRs is taken into account. We demonstrate this contribution is substantial, despite the strong attenuation of UHE CRs. A significant consequence is the emergence of an isotropic background component in the observed flux of UHE CRs, coexisting with the anisotropic foreground component that are associated with nearby sources. Multi-particle CR horizons, which evolve over redshift, are determined by the CR nuclear composition. Thus, they are dependent on the source populations and source evolutionary histories.

연구 동기 및 목표

• 지구에서 관측되는 플럭스에 대해 기존 GZK 원점 이외의 천체에서 온 초고에너지우주선(UHECRs)의 기여를 조사하는 것.
• 우주론적 거리 동안 UHECR 핵종의 전파 및 감쇠에 영향을 미치는 광자핵반응(특히 광자쌍 생성, 공진 및 직접 단일파이온 생성, 광자분열)의 영향을 평가하는 것.
• 먼저 천체에서 기인한 UHECR 플럭스의 검출 가능한 등방성 배경 성분이 근접한 천체에서 기인한 비등방성 전경과 공존할 수 있는지 판단하는 것.
• 소스 집단 모델, 핵종 조성, 적색편이 진화에 따른 UHECR 플럭스 의존성 평가.
• 피에에르 오거 관측소의 관측 데이터와 모델 예측을 비교하여 타당한 소스 집단 모델을 제약하는 것.

제안 방법

• 우주간 복사장(우주마이크파배경(CMB) 및 갈색은하배경광선(EBL))을 통과하는 UHECR 핵종의 입자 운반 방정식을 수치적으로 해석.
• 기존 천체물리학 모델에서 유도된 단면적을 사용하여 광자핵반응(특히 광자쌍 생성, 공진 및 직접 단일파이온 생성, 광자분열)을 포함.
• EBL에 대해 6성분 블랙바디 근사 모델을 사용하며, 적색편이 진화는 z = 1.4 이하에서는 거듭제곱 법칙을 따르는 무차원 가중치 fi(z)로 모델링하고, 그 이상에서는 평탄해짐.
• 소스 집단을 4가지 유형으로 모델링: 별 형성률(SFR), 감마선 폭발(GRB), 활성은하핵(AGN), 적색편이 진화를 포함한 등급형 법칙 모델(PLW). 각각 다른 스펙트럼 및 진화 특성을 가짐.
• 적색편이 z를 초과하는 소스에서 기인한 UHECR 비율 fCR(>z)를 적색편이에 따라 계산하여 먼 천체 기여도를 정량화.
• 피에에르 오거 관측소에서의 관측 데이터와 비교하여 z = 0에서 예측된 UHECR 질량 조성 스펙트럼을 소스 모델 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 GZK 원점(약 50 Mpc)을 초월하는 천체에서 기인한 초고에너지우주선은 여전히 지구에서 관측되는 UHECR 플럭스에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 광자분열 및 광자파이온 상호작용은 우주론적 거리 동안 UHECR 핵종의 전파 및 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 먼저 천체에서 기인한 기여는 UHECR 플럭스의 등방성 성분에 어떤 기여를 하는가? 이는 근접한 천체에서 기인한 비등방성 전경과 어떻게 공존하는가?
• RQ4 UHECR의 핵종 조성은 소스 집단 모델과 적색편이 진화에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 SFR, GRB, AGN, PLW 등 소스 집단 모델 중 어떤 것이 피에에르 오거 관측소에서의 현재 UHECR 질량 조성 데이터와 일치하는가?

주요 결과

• 적색편이 z ∼ 2–3인 천체에서 기인한 UHECRs는 광자핵반응으로 인한 강한 감쇠에도 불구하고 지구에서 관측되는 플럭스에 상당한 기여를 한다.
• 중수소 핵종의 광자분열은 2차 입자를 생성하며, 이는 UHECR 플럭스의 산란 등방성 배경 성분을 형성한다.
• 등방성 배경 플럭스는 상당히 크며, 근접한 천체에서 기인한 비등방성 성분과 공존한다. 이는 10^20 eV 이상의 UHECRs가 순전히 국지적 기원이라는 가정을 도전한다.
• 일부 모델에서 적색편이 z ≈ 3일 때, z를 초과하는 소스에서 기인한 UHECR 비율 fCR(>z)는 최대 100%에 이를 수 있으며, 이는 천체론적 척도의 기여를 시사한다.
• 피에에르 오거 관측소의 평균 UHECR 질량 조성 데이터와 비교했을 때, PLW 유형의 소스 집단 모델은 강하게 배제된다.
• 지구에서 탐지되는 먼 천체 기원 UHECRs의 대부분은 그대로 주원자 입자 상태를 유지한다. 이는 광자분열 및 상호작용이 천체론적 거리 동안 원래 핵종을 완전히 파괴하지는 않는다는 것을 의미한다.