[论文解读] Correlation of the HIghest Energy Cosmic Rays with the Supergalactic Plane

Todor Stanev|ArXiv.org|May 13, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 11

一句话总结

本研究利用更新至70 Mpc的超星系平面（SGP）定义，调查了皮埃尔·阿杰天文台探测到的27个超高能宇宙射线（UHECRs）的到达方向与超星系平面之间的相关性。研究发现该相关性具有高度显著性（各向同性分布下偶然发生的概率为2–6×10⁻⁴），表明UHECRs可能优先与大尺度结构对齐，这可能是由于天蝎座A等源以及有序的星系际磁场所致。

ABSTRACT

We examine the anisotropy of the arrival directions of twenty seven ultra high energy cosmic rays detected by the Pierre Auger Collaboration. We confirm the anisotropy of the arrival directions of these events and find a significant correlation with the updated definition of the supergalactic plane at distances up to 70 Mpc, A Monte Carlo calculation of isotropic source distribution suggests a chance probability for isotropic event arrival direction distribution of 2-6$ imes10^{-4}$.

研究动机与目标

• 评估最高能宇宙射线的到达方向是否与超星系平面（SGP）相关，SGP是通过附近星系可追踪的大尺度结构。
• 检验UHECR到达方向中观测到的各向异性是否与各向同性源分布一致，或是否真实反映了与大尺度结构的聚集。
• 在各向同性和更新的SGP定义下，使用蒙特卡洛模拟评估相关性的显著性。
• 将皮埃尔·阿杰合作组织的结果与AGASA、哈弗拉克公园、雅库茨克和HiRes的旧数据进行比较，以评估各实验之间的一致性。

提出的方法

• 作者使用了皮埃尔·阿杰合作组织提供的27个能量超过5.7×10¹⁹ eV的UHECR事件的到达方向。
• 通过100,000组各向同性事件集的蒙特卡洛模拟，计算了在±10°和±15°超星系纬度范围内与SGP随机重合的概率。
• 研究采用了拉哈夫等人（2000）提出的更新SGP定义，基于光学红移巡天和IRAS数据，有效范围达70 Mpc。
• 分析将SGP带内的观测事件数与各向同性分布下的预期值进行比较，计算显著性p值。
• 作者还纳入了HiRes（13个事件）、AGASA、哈弗拉克公园和雅库茨克（8个事件）的数据，以检验不同实验之间的一致性。
• 他们评估了事件与天蝎座A和室女星系团等已知源的角距离，并检验了可能的源聚集现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 皮埃尔·阿杰探测到的27个最高能宇宙射线的到达方向与超星系平面之间是否存在统计上显著的相关性？
• RQ2 与经典定义相比，使用更新至70 Mpc的SGP定义是否显著提高了相关性的显著性？
• RQ3 皮埃尔·阿杰数据的结果与旧的UHECR数据集（如AGASA、哈弗拉克公园、雅库茨克、HiRes）在SGP相关性方面是否一致？
• RQ4 在各向同性源分布下，观察到此类相关性的概率是多少？
• RQ5 观测到的聚集现象是否可能由银河系磁场中的偏转或星系际磁场引起？

主要发现

• 研究发现，在70 Mpc范围内使用更新的SGP定义时，各向同性到达方向产生观测到的相关性的概率仅为2–6×10⁻⁴，表明存在高度显著的各向异性。
• 在27个阿杰事件中，有13个位于更新SGP的±10°超星系纬度范围内，15个位于±15°范围内，显示出与大尺度结构的强烈对齐。
• 与经典SGP定义相比，使用更新SGP（70 Mpc）后，相关性的显著性显著增强，后者仅给出1–2%的显著性水平。
• 在13个HiRes事件中，有5个位于更新SGP的±15°范围内；在8个旧数据事件（来自AGASA、雅库茨克、哈弗拉克公园）中，也有5个位于±15°范围内，表明各实验之间具有一致性。
• 事件的最大聚集区集中在天蝎座A附近，表明其可能是UHECR的主要来源，粒子可能通过低强度星系际磁场沿SGP被引导。
• 分析证实UHECR通量并非各向同性：在阿杰、HiRes及旧实验的48个总事件中，有17个位于SGP的±10°范围内，25个位于±15°范围内，表明存在与大尺度结构一致的相干相关性。