[论文解读] Differences Between the Pierre Auger Observatory and Telescope Array Spectra: Systematic Effects or Indication of a Local Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays?

Pavlo Plotko, A. van Vliet+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文研究了皮埃尔·阿杰天文台（PAO）与望远镜阵列（TA）测量的超高能宇宙射线（UHECR）能谱之间的差异，提出北半球的局部天体物理源可解释这一差异，而非系统效应。通过采用与电荷态相关的最大能量模型进行联合拟合，发现位于26 Mpc以内的硅主导源最能解释数据，具有硬谱指数和高亮度，为能量依赖性系统效应提供了一个有力的天体物理替代方案。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory (PAO) and Telescope Array (TA) collaborations report significant differences in the observed energy spectra of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) above 30~EeV. In this work we present a joint fit of TA and PAO data using the rigidity-dependent maximum energy model, including a full marginalization over all relevant parameters. We test two possible scenarios to explain these differences. One is that they are due to complex energy-dependent experimental systematics; the other is the presence of a local astrophysical source in the Northern Hemisphere, which is only visible by the TA experiment. We show that the astrophysical and systematic scenarios improve the explanation of the data equally well, compared to the scenario where both experiments observe the same UHECR flux from a cosmological source distribution and have energy-independent systematics. We test different mass compositions emitted from the local source and conclude that the data are best described by a source lying at a distance below 26~Mpc that emits cosmic rays dominated by the silicon mass group. We also discuss possible source candidates, and the possible role of the putative local UHECR source in the observed TA anisotropy and in the differences in TA spectral data from different declination bands.

研究动机与目标

• 解决皮埃尔·阿杰天文台（PAO）与望远镜阵列（TA）之间在30 EeV以上能量区域长期存在的UHECR能谱差异。
• 检验观测到的差异是否源于复杂的能量依赖性实验系统效应，或源于北半球的局部天体物理源。
• 确定最可能的成分、距离及光谱特性，以解释潜在的局部UHECR源。
• 评估局部源模型与TA数据中观测到的各天区（declination bands）各向异性和光谱特征的一致性。
• 评估局部源假说是否相比标准宇宙学源模型（具有能量无关系统效应）提供更优的拟合效果。

提出的方法

• 使用与电荷态相关的最大能量模型，对PAO和TA的UHECR数据进行联合拟合，对所有相关参数进行完全边缘化。
• 比较两种情景：(1) 能量依赖性系统效应，(2) 北半球的局部天体物理源，后者在不同质量组（H、He、N、Si、Fe）中进行测试。
• 应用能量依赖性偏移，如Tsunesada等人（2021）所量化，以检验系统效应；同时对具有可变最大能量和光谱指数的局部源进行建模。
• 使用空气簇射模拟模型（Sibyll 2.3c、QGSJET-II-04、Epos-LHC）计算通量预测，并与观测结果比较。
• 通过统计显著性（5.0σ vs. 零假设）评估模型性能，并将预测的各向异性水平与观测到的剩余强度（RI）值进行比较。
• 在分别使用北半球（TA）和南半球（PAO）数据进行拟合时，排除共同的赤纬带，以检验局部源模型的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠能量依赖性实验系统效应，能否解释PAO与TA在30 EeV以上观测到的光谱差异？
• RQ2 在北半球引入局部天体物理源，是否能比系统效应提供对光谱差异更优的解释？
• RQ3 何种最优质量成分、距离和光谱指数的局部UHECR源最能拟合PAO与TA的联合数据？
• RQ4 该局部源模型在剩余强度预测方面，与观测到的各向异性特征（如TA通量过剩和热点）相比如何？
• RQ5 结果如何依赖于空气簇射模拟模型的选择以及不同赤纬带数据的包含与否？

主要发现

• 与仅考虑宇宙学源及标准系统效应的零假设相比，局部源情景的显著性提升达5.0σ，与仅系统效应解释的4.8σ显著性水平相当。
• 最佳拟合的局部源主要发射以硅-28质量组为主的宇宙射线，最大能量为20 EeV，具有硬谱指数（γlocal < -1.0），距离不超过14 Mpc。
• 该模型在30 EeV以上预测了显著的通量贡献，与近期报告的TA在25–40 EeV范围内的通量过剩一致。
• 对于铁主导的源，在能量依赖性偏移情景下，最佳拟合距离为190 Mpc，与英仙座-御夫座超星系团一致。
• 局部源模型预测的剩余强度值与观测到的TA各向异性数据一致，尤其在新的通量过剩和热点区域表现良好。
• 当排除共同赤纬带后，该模型依然保持稳健，表明仅北半球数据即可支持局部源假说。