[论文解读] A New Limit on the Distances of Nuclei UHECRs Sources

Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|May 18, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文认为，如果超过GZK截止能量的超高能宇宙射线（UHECRs）主要由铁核组成，则由于光致分解和磁场偏转，其传播距离仅限于几兆秒差距。在此情形下，位于该距离范围内的最近活动星系核——半人马座A（Cen A）成为主导源，其方向性信号被磁场抹除，从而解释了观测到的UHECR各向同性特征。

ABSTRACT

Recent evidence from the Pierre Auger Observatory suggests a transition, at 5 EeV-10EeV in the composition of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs), from protons to heavier nuclei such as iron. I consider here the implications of the heavier composition on the sources of UHECRs. The smaller magnetic rigidity implies that nuclei UHECRs are: (i) More easily accelerated (ii) Local, as they can diffuse only a few Mpc from their sources before disintegrating (iii) Isotropic, because large deflections in the extra galactic and the galactic magnetic fields erase the directional information. Uncertainties in the strength and structure of the the extra galactic magnetic field (EGMF) makes it difficult to estimate the overall effects. However, with typical reasonable parameters of a few nG and a coherence distance of a Mpc the distance a nuclei UHECR above the GZK energy traverses before photodisintegrating is only a few Mpc. In spite of the significantly weaker limits on the luminosity, Cen A is the only currently active potential source of nuclei UHECRs within this distance. The large deflections erases the directional anisotropy expected from a single source. If indeed the composition of above-GZK-UHECRs is iron and if the EGMF is not too small then Cen A is the dominant source of observed nuclei UHECRs above the GZK limit.

研究动机与目标

• 研究皮埃尔·让天文台数据所暗示的在5–10 EeV以上UHECR成分向铁核转变的含义。
• 评估铁核相较于质子在加速和传播过程中因电荷和质量增加而产生的影响。
• 在真实的河外和银河系磁场条件下，确定铁核UHECR可能的最大源距离。
• 评估若UHECR成分被证实为铁核，半人马座A（Cen A）是否可成为观测到的铁UHECR的主要来源。
• 通过磁场偏转效应，解释尽管存在像Cen A这样的邻近强源，UHECR仍表现出观测到的各向同性特征。

提出的方法

• 利用铁核在宇宙微波背景（CMB）中的光致分解 timescale 估算其在衰变前的最大传播距离。
• 应用GZK截止能量阈值（≈50 EeV）和能量相关的光致分解截面，计算铁核的平均自由程。
• 基于典型值3–5 nG和1 Mpc的相干长度，估算最大源距离。
• 评估活动星系核（AGNs），特别是Cen A中加速的磁刚度和同步辐射损失约束。
• 使用扩散模型分析铁核在河外和银河系磁场中的偏转，并与观测到的UHECR到达方向各向异性进行比较。
• 通过注入率和效率因子，将Cen A中UHECR产生所需的光度与观测到的UHECR通量进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁核在超过GZK能量时，其在CMB中光致分解前的最大传播距离是多少？
• RQ2 铁核在潜在UHECR源中的磁刚度和加速约束与质子有何不同？
• RQ3 鉴于UHECR的观测各向同性，若其成分为铁核，一个像Cen A这样的单一主导源是否仍与数据一致？
• RQ4 河外磁场（EGMF）在限制铁UHECR源可观测距离方面起什么作用？
• RQ5 在典型EGMF参数下，半人马座A是否是GZK距离内唯一可行的铁UHECR源？

主要发现

• 即使在典型的EGMF条件（约3–5 nG，1 Mpc相干长度）下，由于在CMB中光致分解，超过GZK能量的铁UHECR最大传播距离也仅限于几兆秒差距（Mpc）以内。
• Cen A位于3.8 ± 0.1 Mpc处，是该距离内唯一当前活跃且明亮的源，因此是铁UHECR产生的主要候选者。
• 河外和银河系磁场中的磁偏转预计可达量级为1，可抹除方向信息，从而解释尽管存在邻近源，UHECR仍表现出观测到的各向同性。
• 观测到的UHECR通量约为0.45 × 10⁴⁵ erg/Mpc³/yr，与Cen A作为唯一源一致，即使铁核加速效率较低。
• Cen A中同步辐射光度和粒子能量损失的理论约束很容易满足，支持其作为UHECR源的可行性。
• 模拟结果证实，在典型EGMF条件（约50 nG等效于铁核）下，Cen A产生的铁UHECR预期表现出各向同性，与观测一致。