[論文レビュー] Deducing the Source of Ultrahigh Energy Cosmic Rays

Glennys R. Farrar, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、3.4 Mpcの距離に位置するセヌウス座銀河（Cen A）が、10^18.5 eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の主因であると提案している。このモデルでは、約0.3 μGの銀河間磁場内での陽子拡散によって、観測された等方性、スペクトルの滑らかさ、およびGZKカットオフの欠如が説明される。このモデルは、GZKパラドックスを、分散または遠方の源ではなく、1つの近くの源によるものとすることで解決する。

ABSTRACT

The apparent lack of suitable astrophysical sources for cosmic rays with E > 10^{19.7} eV (UHECRs) is the "GZK Paradox". We argue that whatever mechanism produces them must also account for events down to ~10^{18.7} eV, including their isotropy and spectral smoothness. This rules out galactic sources, distributed sources such as topological defects, and Gamma Ray Bursts (GRBs). We are lead to identify the powerful radio galaxy Cen A, at 3.4 Mpc, as the probable source of most UHECRs observed at Earth today, and to estimate the extragalactic magnetic field to be ~0.3 microG.

研究の動機と目的

• 10^19.7 eVを超えるUHECRを説明できる既知の天体物理学的源が存在しないというGZKパラドックスを解消すること。
• 10^18.5 eV以上で観測された等方性と、約E^-2.7の滑らかなスペクトル指数を説明すること。
• スペクトルおよび方位分布の制約に基づき、銀河系内、分散型、またはバースト型源（例：ガンマバースト、トポロジカル欠陥）を除外すること。
• GZKカットオフのない観測されたフラックスを生成できる、1つの近くにあり強力な源を特定すること。

提案手法

• 10^18.5 eV以上で、滑らかなE^-2.7指数を持つ1つの支配的で特徴のない集団が存在することを示唆する、UHECRスペクトルおよび到達方向データの分析。
• GZK減衰長および経路積算係数（f_acc ≈ 100）を評価し、源の分布およびエネルギー依存のフラックス正規化を制約すること。
• 銀河間磁場における拡散輸送モデルを用いて、Cen Aのような近くの源からの陽子伝搬を評価すること。
• 方位の非等方性および到達時間統計を用いて、源の近接性および磁場強度を検証すること。
• Zバースト、トポロジカル欠陥、ガンマバーストなどのさまざまなモデルの予測を、観測されたフラックスおよびスペクトルと比較し、不適切な候補を除外すること。
• 拡散時間スケールおよび非等方性レベルを説明するための必要な磁場強度（約0.3 μG）を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子パイオン生成による陽子エネルギー損失があるにもかかわらず、なぜUHECRスペクトルにGZKカットオフが観測されないのか？
• RQ2 10^18.5 eVから10^20 eVの範囲で、スペクトルの不連続性がない滑らかで特徴のないE^-2.7スペクトルを生成するメカニズムは何か？
• RQ3 なぜ10^18.5 eV以上でUHECRの到達方向分布が等方的であるとされるのか？これは銀河系内または局所的源の予想と矛盾する。
• RQ4 Cen Aのような1つの近くの源から、宇宙論的スケールで陽子拡散を説明するには、どの程度の磁場強度が必要か？
• RQ5 陽子放出が約100倍抑制されている場合を除き、ニュートリノやグルイノバリオンなどのGZK回避メッセージ系モデルは、観測されたフラックスおよび正規化と整合することができるか？

主な発見

• Cen A（3.4 Mpc）は、その近接性と強度のおかげで、観測されたUHECRの大部分の最も可能性の高い源と特定されている。
• 陽子の拡散を可能にするために、銀河間磁場は約0.3 μGに制限される。これは約25 Myrの必要時間スケールに対応する。
• 観測されたUHECRスペクトルは、複数の源や分散源ではなく、1つの近くの源からの陽子1つの集団と整合する。
• エネルギーが10^19 eV以上のUHECRの非等方性は、7%以下であると予測され、現在の観測と一致する。
• 銀河系のダークマター、ガンマバースト、またはトポロジカル欠陥を含むモデルは、非等方性およびスペクトル形状の不一致のため除外される。
• 陽子放出が発信者放出に対して約100倍抑制されている場合を除き、GZK回避メッセージ系モデル（例：ニュートリノやグルイノバリオン）は、観測されたフラックスおよび正規化と整合する。