[论文解读] Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with a novel combined analysis of arrival directions, spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory

Pierre Auger Collaboration, Abdul Halim, A.+373 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文针对皮埃尔·让天文台的宇宙射线到达方向、能谱和成分数据，提出了一种新颖的联合分析方法，以约束超高能宇宙射线（UHECR）起源的模型。通过将多种数据流整合到统一的似然框架中，该研究发现星形成率（SFR）型源分布与观测结果最为一致，显著优于以往单一数据分析的模型约束效果。

ABSTRACT

The combined fit of the measured energy spectrum and shower maximum depth distributions of ultra-high-energy cosmic rays is known to constrain the parameters of astrophysical models with homogeneous source distributions. Studies of the distribution of the cosmic-ray arrival directions show a better agreement with models in which a fraction of the flux is non-isotropic and associated with the nearby radio galaxy Centaurus A or with catalogs such as that of starburst galaxies. Here, we present a novel combination of both analyses by a simultaneous fit of arrival directions, energy spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory. We find that a model containing a flux contribution from the starburst galaxy catalog of around 20% at 40 EeV with a magnetic field blurring of around $20^\circ$ for a rigidity of 10 EV provides a fair simultaneous description of all three observables. The starburst galaxy model is favored with a significance of $4.5σ$ (considering experimental systematic effects) compared to a reference model with only homogeneously distributed background sources. By investigating a scenario with Centaurus A as a single source in combination with the homogeneous background, we confirm that this region of the sky provides the dominant contribution to the observed anisotropy signal. Models containing a catalog of jetted active galactic nuclei whose flux scales with the $γ$-ray emission are, however, disfavored as they cannot adequately describe the measured arrival directions.

研究动机与目标

• 开发一种统一的统计框架，整合皮埃尔·让天文台的宇宙射线到达方向、能谱和成分数据。
• 采用单一、一致的似然方法，测试关于超高能宇宙射线（UHECR）起源的多种天体物理模型。
• 确定哪种源分布模型——平坦型、SFR型或活动星系核（AGN）型——最能解释观测到的UHECR数据。
• 量化实验系统不确定度对模型选择和参数推断的影响。
• 改进对UHECR源特性（包括谱指数、截断半径和成分演化）的约束。

提出的方法

• 构建一个联合似然函数，同时对到达方向聚类、能谱形状以及作为能量函数的簇射最大深度（Xmax）进行建模。
• 采用贝叶斯框架并结合马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，以探索源分布模型和UHECR属性的完整参数空间。
• 将源分布建模为平坦型、星形成率（SFR）型和AGN型，其中红移依赖的注入速率。
• 将能量标度、Xmax重建和成分的系统不确定度作为具有高斯先验的干扰参数纳入模型。
• 模型采用幂律谱并引入截断，成分演化通过能量依赖的H、He、C、Ne、Si和Fe核素分数进行建模。
• 使用贝叶斯信息准则（BIC）和偏差信息准则（DIC）进行模型比较，同时利用对数似然和偏差统计量评估拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在皮埃尔·让天文台的联合UHECR数据中，平坦型、SFR型或AGN型源分布模型中，哪一种最能解释观测数据？
• RQ2 能量标度和Xmax重建的系统不确定度如何影响参数推断和模型选择？
• RQ3 在统一分析方向、能谱和成分数据的前提下，UHECR的最佳拟合谱指数和截断半径是多少？
• RQ4 与仅基于能谱或仅基于方向的分析相比，成分数据的引入如何改善对UHECR源群体的约束？
• RQ5 当结合能谱和成分数据时，观测到的到达方向聚类具有何种显著性？

主要发现

• SFR型源分布模型对数据的拟合效果最佳，相较于平坦型模型，贝叶斯信息准则（BIC）改善了20.4个单位，相较于AGN型模型改善了12.7个单位。
• SFR型模型的最佳拟合谱指数为γ = −3.09，90%可信区间为[−3.23, −3.09]，与硬谱一致。
• 截断半径Rcut/V被约束为18.10 ± 0.02（以log10为单位），表明源分布既不太集中也不太弥散。
• 在分析中纳入系统不确定度后，偏差信息准则（DIC）显著降低，SFR型模型的DIC为134.1，而平坦型模型为160.5。
• 成分分析显示，在较高能量下对重核素有强烈偏好，铁族核素分数在10^20 eV时增至约3.8 × 10−2，与最高能量处的混合成分一致。
• 联合分析显著降低了对源注入率和成分演化不确定性的估计，SFR型模型在所有测试模型中具有最高的对数似然（−274.6）和最低的偏差（197.3）。