[論文レビュー] The Possible Extragalactic Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays at the Telescope Array Hotspot

Hao-Ning He, Alexander Kusenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超銀河平面における磁場による偏光をモデル化することで、Telescope Arrayの超高エネルギー宇宙線ホットスポットの起源を調査し、M82およびMrk 180を外部銀河系の有力候補と特定している。宇宙線は軽い原子核に制限され、今後のスペクトルデータがこれらの源を区別する可能性を議論している。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) collaboration has reported a hotspot, a cluster of 19 cosmic ray events with energies above $57$ EeV in a circle of $20^\circ$ radius centered at ${ m R.A.}(\alpha)=146.^\circ7$, ${ m Dec.}(\delta)=43.^\circ2$. We explore the hypothesis that the hotspot could originate from a single source. By considering the energy dependent deflections that are expected to affect arrival directions of cosmic rays propagating in cosmic magnetic fields, we identify the nearby starburst galaxy M82 and the bright nearby blazar Mrk 180 as two likely candidates. Furthermore, we constrain these hotspot cosmic rays to be light nuclei by adopting a specific magnetic field in the supergalactic plane. We discuss the prospects of discriminating between the candidate sources with current and future spectral data.

研究の動機と目的

• Telescope Arrayが測定した赤経146.7°、赤緯43.2°における超高エネルギー宇宙線ホットスポットの天体物理学的起源を特定すること。
• 宇宙磁場内のエネルギー依存性を持つ偏光をモデル化することで、ホットスポットが単一の外部銀河系源由来であるかどうかを評価すること。
• 特定の超銀河平面磁場モデルを用いて、ホットスポットの宇宙線の組成を軽い原子核に制限すること。
• Telescope Arrayの今後のスペクトルデータが、M82やMrk 180といった候補源を区別する可能性を評価すること。

提案手法

• 超銀河平面における宇宙磁場を通過する超高エネルギー宇宙線の軌道をモデル化し、特に超銀河平面内の偏光に注目する。
• エネルギー依存性を持つ偏光計算を適用し、到達方向を逆にたどって潜在的源を特定する。
• 超銀河平面における特定の磁場配置を用いて、宇宙線の組成を軽い原子核に制限する。
• 観測された到達方向が、M82 や Mrk 180 などの候補源からの予測と整合するかを評価する。
• Telescope Arrayの今後のスペクトルデータが、M82 と Mrk 180 の間の区別を可能にするかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Telescope ArrayのUHECRホットスポットは、M82 や Mrk 180 のような単一の外部銀河系源由来である可能性があるか？
• RQ2 超銀河平面におけるエネルギー依存性を持つ磁場偏光は、ホットスポットの推定起源にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特定の磁場モデルを用いることで、ホットスポットの宇宙線の組成にどの程度の制限を課すことができるか？
• RQ4 Telescope Arrayの今後のスペクトルデータは、M82 と Mrk 180 のどちらがホットスポットの源であるかを区別できるか？

主な発見

• 近接する星形成銀河M82は、ホットスポットの方向と整合し、距離が近いため、Telescope ArrayのUHECRホットスポットの有力な源とされる。
• 明るく近くに位置するブローザーMrk 180も、位置と期待される宇宙線放射特性から、強い候補とされる。
• 超銀河平面における特定の磁場モデルを仮定することで、ホットスポットの宇宙線が軽い原子核であると制限された。
• 本研究は、今後のTelescope Arrayのスペクトルデータが、M82とMrk 180の間の区別に必要な情報を提供できる可能性を示している。