[论文解读] Limit on intergalactic magnetic field from ultra-high-energy cosmic ray hotspot in Perseus-Pisces region

A. Neronov, D. Semikoz+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 57被引用 9

一句话总结

该论文利用英仙座-双子座超星系团区域中UHECR热点的存在，首次推导出宇宙空洞——具体为御夫座空洞——中原宇宙磁场（IGMF）的上限。通过分析UHECR轨迹的偏转，表明当相关长度大于70 Mpc时，IGMF必须低于$10^{-10}$ G，该约束强于以往的法拉第旋转测量结果，并首次对大尺度结构中空洞区域的磁场作出了限制。

ABSTRACT

Telescope Array collaboration has reported an evidence for existence of a source of ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) events in Perseus-Pisces supercluster. We show that the mere existence of such a source imposes an upper bound on the strength of intergalactic magnetic field (IGMF) in the Taurus void lying between the Perseus-Pisces supercluster and the Milky Way galaxy. This limit is at the level of 10^{-10} G for a field with correlation length larger than the distance of the super-cluster ~ 70 Mpc. This bound is an order-of-magnitude stronger that the previously known bound on IGMF from radio Faraday rotation measurements and it is the first upper bound on magnetic field in the voids of the Large Scale Structure.

研究动机与目标

• 推导御夫座空洞——大尺度结构中物质密度较低的区域——中原宇宙磁场（IGMF）的新上限。
• 利用英仙座-双子座超星系团中观测到的UHECR热点作为IGMF强度的探针，利用强IGMF会抹除源的角结构这一事实。
• 通过聚焦于空洞区域，改进现有IGMF约束，这些区域此前未被UHECR数据覆盖。
• 通过结合UHECR观测与伽马射线巡天的现有下限，建立多信使对宇宙磁场的约束。

提出的方法

• 该分析使用望远镜阵列数据中观测到的UHECR热点角尺度（赤经≈19°，赤纬≈35°，ΘPP≈20°）作为IGMF强度的约束条件。
• 它模拟了从英仙座-双子座超星系团到地球的视线方向上，超大质量宇宙射线（UHECRs）在磁场作用下的偏转，假设其为质子和轻核。
• 该方法假设：若IGMF强到足以在观测角尺度上随机化UHECR轨迹，则热点将不可观测。
• 通过将UHECR轨迹模拟与已知的银河系磁场（GMF）模型相结合，分离出星际磁场的贡献。
• 通过要求IGMF引起的偏转不超过源的观测角尺度，推导出该上限。
• 该分析考虑了GMF模型和源距离的不确定性，重点聚焦于会破坏热点结构的最小IGMF。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用英仙座-双子座超星系团中UHECR热点的存在，对御夫座空洞中的原宇宙磁场（IGMF）施加上限？
• RQ2 观测到的UHECR源角尺度在多大程度上约束了视线方向上IGMF的强度和相关长度？
• RQ3 UHECR数据能否提供比现有法拉第旋转测量更强的空洞区域IGMF约束？
• RQ4 基于UHECR的IGMF上限与其它天体物理和宇宙学约束相比如何？
• RQ5 未来能否通过UHECR与伽马射线观测的多信使方法探测宇宙磁场？

主要发现

• 该论文首次利用UHECR数据，对宇宙空洞——具体为御夫座空洞——中的原宇宙磁场（IGMF）建立了上限。
• 当相关长度大于70 Mpc（即英仙座-双子座超星系团的距离）时，IGMF强度被约束在$10^{-10}$ G以下。
• 该约束比此前基于射电法拉第旋转测量的最佳约束强一个数量级。
• 这是首个对大尺度结构中空洞区域IGMF的约束，此前这些区域未被UHECR观测覆盖。
• 当与现有伽马射线非观测中得出的下限$10^{-16}$ G结合时，御夫座空洞中的IGMF现被约束在$10^{-16} \, \text{G} < B < 10^{-10} \, \text{G}$之间。
• 基于UHECR的约束强度与UHECR源相关性研究相当，但因热点位置孤立，系统误差更小。