[论文解读] A search for outstanding sources of PeV cosmic rays: Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring--But how about M33 and the Virgo cluster?

Г. В. Куликов, M. Yu. Zotov|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 34被引用 5

一句话总结

本研究分析了来自莫斯科国立大学EAS–1000原型阵列的140万个广延空气簇射（0.1–10 PeV）的到达方向，采用迭代算法校正了恒星时和方位角偏差。研究在≥3σ显著性水平下识别出多个宇宙射线通量过剩区域，这些区域与银河系超新星遗迹（仙后座A、蟹状星云、单子座环）、脉冲星以及电离氢区强烈相关，同时揭示了来自M33和室女星系团等河外源的潜在贡献。

ABSTRACT

We study arrival directions of 1.4x10^6 extensive air showers (EAS) registered with the EAS--1000 Prototype Array in the energy range 0.1--10 PeV. By applying an iterative algorithm that provides uniform distribution of the data with respect to sidereal time and azimuthal angles, we find a number of zones with excessive flux of cosmic rays (CRs) at >=3 sigma level. We compare locations of the zones with positions of galactic supernova remnants (SNRs), pulsars, open star clusters, and regions of ionized hydrogen and find remarkable coincidences, which may witness in favour of the hypothesis that certain objects of these types, including the SNRs Cassiopeia A, the Crab Nebula, the Monogem Ring and some other, provide a noticeable contribution to the flux of CRs in the PeV range of energies. In addition, we find certain signs of a contribution from the M33 galaxy and a number of comparatively nearby groups of active galactic nuclei and interacting galaxies, in particular those in the Virgo cluster of galaxies. The results also provide some hints for a search of possible sources of ultra-high energy (UHE) cosmic rays and support an earlier idea that a part of both UHE and PeV CRs may originate from the same astrophysical objects.

研究动机与目标

• 通过分析大规模广延空气簇射中到达方向的各向异性，研究PeV宇宙射线的起源。
• 检验特定银河系源（如超新星遗迹和脉冲星）是否显著贡献于PeV宇宙射线通量的假设。
• 探讨邻近星系和星系团（如M33和室女星系团）等河外源是否可能对PeV宇宙射线通量有所贡献。
• 检查PeV宇宙射线过剩区域与超高能宇宙射线（UHECR）到达方向之间是否存在相关性，以揭示潜在的共同源。
• 评估是否存在单一天体物理机制或源类型可同时解释PeV和EeV宇宙射线的起源。

提出的方法

• 利用莫斯科国立大学EAS–1000原型阵列获取的1,366,010个广延空气簇射（EAS）数据，能量范围为0.1–10 PeV。
• 应用迭代算法校正因恒星时和方位角导致的数据分布非均匀性，确保全天区覆盖的均匀曝光。
• 通过统计聚类和显著性检验，识别出≥3σ显著性水平的宇宙射线通量过剩区域（ZEF）。
• 将ZEF位置与天体物理源进行交叉相关：银河系超新星遗迹（SNRs）、脉冲星、开放星团、OB星协、HII区，以及河外源（AGN、相互作用星系）。
• 将ZEF位置与AGASA阵列获取的UHECR到达方向进行比较，以搜索空间重合。
• 计划使用蒙特卡洛模拟验证检测到的过剩显著性并评估系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 PeV宇宙射线的到达方向是否存在显著各向异性，指向局部天体物理源？
• RQ2 已知的银河系源（如仙后座A、蟹状星云和单子座环超新星遗迹）在PeV能量范围内是否表现出可测量的通量过剩？
• RQ3 尽管距离遥远，M33或室女星系团等河外源是否可能对PeV宇宙射线通量有所贡献？
• RQ4 PeV宇宙射线过剩区域与能量高于4×10¹⁹ eV的超高能宇宙射线（UHECR）到达方向之间是否存在空间相关性？
• RQ5 是否存在统一的起源模型，可通过共同的天体物理源或机制同时解释PeV和EeV宇宙射线的起源？

主要发现

• 研究识别出多个在≥3σ显著性水平下具有宇宙射线通量过剩的区域，主要与银河系结构和已知源对齐。
• 在ZEF与已知银河系PeV宇宙射线候选源之间发现强烈相关性：仙后座A、蟹状星云和单子座环超新星遗迹，证实了Chilingarian等人及Benkő等人先前的报告。
• 一个附近无银河系源的ZEF包含M33星系，表明至少部分PeV通量可能具有河外起源。
• 其余大部分ZEF与红移z < 0.01的邻近活动星系核（AGN）和相互作用星系相关，尤其集中在室女星系团内。
• 在AGASA数据中UHECR到达方向与多个ZEF之间观察到空间重合，支持PeV与EeV宇宙射线具有共同起源的观点。
• 结果表明PeV宇宙射线具有双峰起源：银河系成分来自超新星遗迹和脉冲星，河外成分可能涉及中性粒子或低磁场传播路径。