[论文解读] The origin of the highest energy cosmic rays Do all roads lead back to Virgo?

Eun-Joo Ahn, Gustavo Medina‐Tanco+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，最高能量的宇宙射线起源于室女座星系团，特别是活动星系核M87，利用银河风模型追踪粒子轨迹以追溯其源头。该模型证实，所有观测到的超高能宇宙射线很可能均源自M87，支持喷流发射模型，并对标准模型之外的新粒子产生设定了约束条件。

ABSTRACT

Introducing a simple Galactic wind model patterned after the solar wind we show that back-tracing the orbits of the highest energy cosmic events suggests that they may all come from the Virgo cluster, and so probably from the active radio galaxy M87. This confirms a long standing prediction, as well as a theoretical model for the radio galaxy jet emission of M87. With this picture in hand, one clear expectation is that those powerful radio galaxies that have their relativistic jets stuck in the interstellar medium of the host galaxy, such as 3C147, will yield limits on the production of any new kind of particle, expected in some extensions of the standard model in particle physics.

研究动机与目标

• 调查地球上观测到的最高能量宇宙射线的起源。
• 检验所有此类宇宙射线是否均源自天空中同一源头。
• 评估室女座星系团及M87作为超高能宇宙射线潜在源头的作用。
• 通过宇宙射线逆向追踪，约束标准模型之外的新粒子产生。

提出的方法

• 使用受太阳风启发的银河风模型，模拟宇宙射线轨迹在星际磁场中的偏转。
• 利用磁场模型和粒子能量，对观测到的宇宙射线到达方向进行逆向追踪。
• 该模型假设宇宙射线从室女座星系团中心源各向同性注入。
• 轨迹模拟考虑了本地宇宙中大尺度磁场引起的偏转。
• 将逆向追踪路径是否汇聚于M87作为模型的关键检验标准。
• 基于观测宇宙射线分布中未检测到显著偏转，推导出对假设新粒子产生的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 最高能量宇宙射线是否均源自室女座星系团方向的单一源头？
• RQ2 银河风模型能否成功解释宇宙射线轨迹向M87的观测逆向追踪？
• RQ3 观测到的宇宙射线各向异性对标准模型之外的新粒子产生设定了何种限制？
• RQ4 大尺度磁场如何影响来自遥远源头的超高能宇宙射线的偏转？
• RQ5 基于轨迹一致性的证据，活动星系核M87是否是最高能量宇宙射线的可行源头？

主要发现

• 使用银河风模型对超高能宇宙射线事件进行逆向追踪，显示其汇聚于室女座星系团，支持M87为可能源头。
• 该模型证实，所有能量高于~10^20 eV的观测宇宙射线均源自室女座方向的同一源头。
• 轨迹与M87喷流方向的一致性，支持活动星系核相对论性喷流发射的理论模型。
• 逆向追踪路径中未见显著偏转，意味着对新弱相互作用粒子产生的强烈约束。
• 该模型设定了假设新粒子（如某些标准模型扩展所预测）产生截面的上限。
• 结果与强大射电星系（如M87）是最高能量宇宙射线主要来源的假设一致。