[论文解读] Can Experiments Studying Ultrahigh Energy Cosmic Rays Measure the Evolution of the Sources?

D. R. Bergman, G. B. Thomson+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，宇宙射线能谱在约10^17.6 eV处的第二个膝峰可能反映了河外源（如类星体和活动星系核）在红移z ≈ 1.6处的演化断裂。由于宇宙射线能量损失（如与CMB相互作用）和宇宙膨胀导致的能量-红移相关性，这类源的光度演化断裂应在宇宙射线通量中表现为能谱特征，而Telescope Array实验因其独特的能量覆盖范围，具备测试该特征的能力。

ABSTRACT

Interactions between cosmic ray protons and the photons of the cosmic microwave background radiation, as well as the expansion of the universe, cause cosmic rays to lose energy in a way that depends on the distance from the cosmic nray source to the earth. Because of this, there is a correlation between cosmic ray energies and the average redshift of their origin. This correlation may be exploited to measure the evolution of the sources of cosmic rays. Sky surveys of Quasi Stellar Objects (QSO's) and Active Galactic Nuclei (AGN's), made at optical and x-ray wavelengths, are consistent in showing that the evolution of such objects exhibits a break at a redshift, z, of about 1.6. At smaller redshifts, the luminosity density of QSO's and AGN's follows a $(1+z)^m$ distribution, with $m \sim 2.6$, and exhibit a much flatter distribution above the break. Measurements of the star formation rate are also consistent with this picture. If QSO's and AGN's are sources of ultrahigh energy cosmic rays the break in their evolution should appear in the cosmic ray spectrum at an energy of about $10^{17.6}$ eV. This is the energy of the second knee.

研究动机与目标

• 调查观测到的宇宙射线能谱中约10^17.6 eV处的第二个膝峰是否可作为河外宇宙射线源演化断裂的信号。
• 检验假设：类星体和活动星系核的光度演化（在z ≈ 1.6处发生转变）应在河外宇宙射线通量中留下能谱特征。
• 确定Telescope Array实验凭借其全能量覆盖范围，是否能够分辨该潜在演化信号。
• 通过X_max与能谱结构的相关性分析成分，以区分第二个膝峰是起源于银河系还是河外。

提出的方法

• 使用在z ≈ 1.6处存在断裂的源演化模型模拟河外宇宙射线通量，其中光度密度在z < 1.6时遵循(1+z)^m，m ≈ 2.6，而在z > 1.6时更为平坦。
• 利用宇宙射线能量损失（GZK抑制和e+e−对产生）导致的能量-红移相关性，将宇宙射线能量映射至源红移。
• 应用HiRes实验的能谱和成分测量结果（X_max与能量的关系），以约束约10^18 eV处银河系与河外宇宙射线的过渡。
• 提出Telescope Array（TA）及其低能扩展（TALE）可实现从10^16.5至10^20.5 eV的无缝混合与立体覆盖，支持逐事件的能量和X_max测量。
• 利用立体与混合模式交叉校准能量和X_max，降低不确定性，并实现对质子成分（河外）与重核成分（银河系）的分离。
• 选取X_max值较深的事件，以隔离河外质子成分，并检验该子集中是否出现第二个膝峰。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的宇宙射线能谱中约10^17.6 eV处的第二个膝峰是否对应于类星体和活动星系核在红移z ≈ 1.6处的光度演化断裂？
• RQ2 能否利用宇宙射线能量损失导致的能量-红移相关性，将源演化与宇宙射线通量中的能谱特征联系起来？
• RQ3 通过X_max分析的成分研究，第二个膝峰是起源于银河系还是河外？
• RQ4 Telescope Array实验凭借其全能量覆盖范围，能否探测到河外源在z ≈ 1.6处演化断裂对应的能谱断裂？

主要发现

• 基于能量损失与源红移的相关性，预测约10^17.6 eV处的第二个膝峰对应于类星体和活动星系核在红移z ≈ 1.6处的演化断裂。
• 在z ≈ 1.6处存在演化断裂（z < 1.6时m ≈ 2.6，z > 1.6时更平坦）的源，应在河外宇宙射线通量中产生可探测的能谱特征。
• HiRes实验因低能覆盖不足，无法有效测试10^17.6 eV处的预测断裂，因其能量范围从约10^17.5 eV开始且存在较大不确定性。
• Telescope Array实验凭借从10^16.5至10^20.5 eV的全能量覆盖范围以及混合/立体观测能力，是唯一能够测试该演化假说的实验。
• 若第二个膝峰出现在X_max值较深的质子成分（河外）中，将支持演化起源假说。
• 若第二个膝峰仅出现在重核成分（银河系）中，则表明其起源于银河系，从而否定基于演化的解释。