[论文解读] Evidence for a Supergalactic Structure of Magnetic Deflection Multiplets of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Telescope Array Collaboration, Rasha Abbasi+142 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用十年的 Telescope Array 数据，提供了超高能宇宙射线（UHECRs）磁偏转模式中存在超星系结构的证据。研究发现，UHECR 到达方向与超星系平面之间存在 4.1σ 的事后显著性相关性，表明大尺度星系际磁场使质子从诸如星暴星系 M82 等源发生偏转，估计其沿视线方向垂直的相干磁场强度约为 11 nG。

ABSTRACT

Evidence for a large-scale supergalactic cosmic ray multiplet (arrival directions correlated with energy) structure is reported for ultra-high energy cosmic ray (UHECR) energies above 10$^{19}$ eV using seven years of data from the Telescope Array (TA) surface detector and updated to 10 years. Previous energy-position correlation studies have made assumptions regarding magnetic field shapes and strength, and UHECR composition. Here the assumption tested is that, since the supergalactic plane is a fit to the average matter density of the local Large Scale Structure (LSS), UHECR sources and intervening extragalactic magnetic fields are correlated with this plane. This supergalactic deflection hypothesis is tested by the entire field-of-view (FOV) behavior of the strength of intermediate-scale energy-angle correlations. These multiplets are measured in spherical cap section bins (wedges) of the FOV to account for coherent and random magnetic fields. The structure found is consistent with supergalactic deflection, the previously published energy spectrum anisotropy results of TA (the hotspot and coldspot), and toy-model simulations of a supergalactic magnetic sheet. The seven year data post-trial significance of this supergalactic structure of multiplets appearing by chance, on an isotropic sky, is found by Monte Carlo simulation to be 4.2$σ$. The ten years of data post-trial significance is 4.1$σ$. Furthermore, the starburst galaxy M82 is shown to be a possible source of the TA Hotspot, and an estimate of the supergalactic magnetic field using UHECR measurements is presented.

研究动机与目标

• 研究超高能宇宙射线（UHECRs）是否表现出与超星系平面对齐的关联偏转模式。
• 确定观测到的 UHECR 到达方向多重结构是否与大尺度星系际磁场一致。
• 评估最显著的相关性是否指向特定天体物理源，如 M82。
• 估算在 TA 热点方向上，沿视线方向垂直的相干磁场分量的强度。

提出的方法

• 分析十年 Telescope Array（TA）数据，研究球帽区域（'楔形'）内 UHECR 到达方向的角相关性。
• 采用一种统计方法识别能量-角度相关性，并评估其事后显著性。
• 将银道坐标系旋转 90°，以检验对称性并验证与超星系平面的一致性。
• 通过拟合相关性的曲率，与超星系结构的理论预期进行比较。
• 利用质子成分模型和 3.7 Mpc 的传播路径估算磁场强度。
• 评估结果与先前关于星系际磁场和源各向异性的研究的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 UHECR 多重结构与超星系平面之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 最显著的能量-角度相关性是否与 TA 热点对齐，并指向如 M82 这类特定源？
• RQ3 在相关性方向上，沿视线方向垂直的相干磁场分量的估计强度是多少？
• RQ4 观测到的相关性与银道面对齐相比如何？是否支持星系际磁场扩散？
• RQ5 结果是否与星系际磁场的理论和观测估计一致？

主要发现

• 利用十年 Telescope Array 数据，发现 UHECR 多重结构与超星系平面之间的相关性具有 4.1σ 的事后显著性。
• 最显著的单一能量-角度相关性从 7 年数据的 4.6σ（事前）提升至 10 年数据的 5.1σ（事前），且未进行新的楔形参数扫描。
• 该相关性正位于 Telescope Array 热点正上方，其起源与星暴星系 M82 作为源一致。
• 假设为纯质子成分，沿视线方向垂直的平均相干磁场分量估计为 11 nG。
• 假设传播路径为 3.7 Mpc 且为质子成分，与超星系平面相关的平均垂直磁场估计约为 10 nG。
• 若为混合成分或更长传播路径，磁场强度估计值将更小，与其它理论和观测约束一致。