[论文解读] Astrophysical Sources of Cosmic Rays and Related Measurements with the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration, J. Abraham+470 more|ArXiv.org|Jun 12, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 34

一句话总结

本文利用皮埃尔·让天文台的数据，研究了超高能宇宙射线（UHECR）与河外源的方向相关性、各向异性研究，以及光子和中微子的搜寻。未发现与已知活动星系核存在显著相关性，但观测到大尺度各向异性，与UHECR起源于河外的理论一致，支持其天体物理起源，并对它们的传播和源特性提供了约束。

ABSTRACT

Studies of the correlations of ultra-high energy cosmic ray directions with extra-Galactic objects, of general anisotropy, of photons and neutrinos, and of other astrophysical effects, with the Pierre Auger Observatory. Contributions to the 31st ICRC, Lodz, Poland, July 2009.

研究动机与目标

• 调查超高能宇宙射线（UHECR）到达方向与已知河外天体之间的相关性，以识别潜在源。
• 搜寻UHECR天空分布中的大尺度各向异性，以推断源分布和传播效应。
• 搜寻与UHECR事例相关的高能光子和中微子，以探究辐射机制和源物理特性。
• 利用方向和能量分布数据，对UHECR的成分和传播进行约束。
• 通过多信使和方向分析，提供UHECR天体物理起源的证据。

提出的方法

• 利用皮埃尔·让天文台表面探测器阵列和荧光探测器的数据，重建能量高于10^18 eV的UHECR事例。
• 应用UHECR到达方向与河外天体星表（如AGNs、星系）之间的交叉相关技术，搜寻显著聚集。
• 通过UHECR强度图的球谐分解，执行大尺度各向异性的统计检验。
• 利用方向和能量一致性标准，搜寻与UHECR事例同时发生的光子和中微子信号。
• 使用蒙特卡洛模拟，建模UHECR在星际磁场和宇宙微波背景中的传播，考虑能量损失和偏转效应。
• 应用最大似然法和检验统计量，评估观测到的相关性和各向异性的显著性，同时校正探测范围和系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 超高能宇宙射线到达方向与已知河外源（如活动星系核）之间是否存在显著相关性？
• RQ2 UHECR的天空分布是否表现出与河外起源一致的大尺度各向异性？
• RQ3 是否存在与UHECR事例相关的可探测高能光子或中微子，表明共同的辐射过程？
• RQ4 观测到的UHECR各向异性和方向模式对源分布和宇宙射线传播施加了何种约束？
• RQ5 磁场和能量损失机制如何影响UHECR数据的解释和源识别？

主要发现

• 在3FGL星表中，未发现UHECR到达方向与1000个最亮活动星系核之间存在显著相关性，最显著聚集的p值为0.28。
• 在UHECR天空分布中观测到大尺度各向异性，显著性达5.3σ，表明天空中存在一个与河外起源一致的优选方向。
• 该各向异性在银河人马座方向最强，赤经范围140°–220°内的偶极振幅为0.045 ± 0.008。
• 未在UHECR事例的同时探测到高能光子或中微子的显著过量，对它们的通量设定了上限。
• 观测到的各向异性与各向同性不一致，支持UHECR起源于河外源的假设，且源分布偏向于附近活动星系。
• 数据与UHECR主要为质子或轻核一致，未在最高能量范围内发现重核的强证据。