[论文解读] Indications of a Cosmic Ray Source in the Perseus-Pisces Supercluster

Telescope Array Collaboration, Rasha Abbasi+158 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 11

一句话总结

本研究在仙后-双子座超星系团方向检测到显著过量的极高能宇宙射线（UHECRs），显著性达4.0–4.4σ。通过蒙特卡洛模拟检验各向同性，偶然重合概率估计为3.5σ，表明该超星系团内可能存在宇宙射线源，该超星系团包含活动星系、星暴星系及大尺度激波——均为潜在的UHECR加速器。

ABSTRACT

The Telescope Array Collaboration has observed an excess of events with $E \ge 10^{19.4} ~{ m eV}$ in the data which is centered at (RA, dec) = ($19^\circ$, $35^\circ$). This is near the center of the Perseus-Pisces supercluster (PPSC). The PPSC is about $70 ~{ m Mpc}$ distant and is the closest supercluster in the Northern Hemisphere (other than the Virgo supercluster of which we are a part). A Li-Ma oversampling analysis with $20^\circ$-radius circles indicates an excess in the arrival direction of events with a local significance of about 4 standard deviations. The probability of having such excess close to the PPSC by chance is estimated to be 3.5 standard deviations. This result indicates that a cosmic ray source likely exists in that supercluster.

研究动机与目标

• 研究极高能宇宙射线（UHECRs）与天空中大尺度结构（特别是仙后-双子座超星系团）之间的方向相关性。
• 确定在超星系团方向观测到的UHECR过量是否可能由各向同性背景涨落偶然引起。
• 评估其他附近主要天文物体是否也能以类似显著性解释UHECR过量。
• 支持仙后-双子座超星系团可能包含UHECR源的假设，推动进一步的多信使与统计研究。
• 通过TA×4项目加强北半球UHECR探测能力，提升源定位的统计功效。

提出的方法

• 分析望远镜阵列（TA）表面探测器记录的、能量高于10^19.4 eV的UHECR事件。
• 映射事件到达方向，并与仙后-双子座超星系团中星系团和星系群的空间分布进行比较。
• 生成与真实数据具有相同统计量和探测器接受度的各向同性蒙特卡洛事件集，以模拟背景涨落。
• 计算在超星系团方向观测到的过量的Li-Ma显著性，并与与其他主要结构随机重合的显著性进行比较。
• 通过将观测显著性与蒙特卡洛试验中获得的显著性分布进行比较，评估偶然过量的概率。
• 利用TA×4项目的扩展孔径和新型荧光探测器站，提升未来UHECR研究的角分辨率与统计功效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仙后-双子座超星系团方向观测到的UHECR过量是否显著超出随机涨落？
• RQ2 该观测到的UHECR过量由与超星系团结构偶然重合导致的概率是多少？
• RQ3 其他附近主要天文物体是否表现出类似显著性的UHECR过量？
• RQ4 鉴于其已知的天体物理成分，仙后-双子座超星系团是否可能成为UHECR源？
• RQ5 TA×4项目如何提升在北半球解析UHECR起源的能力？

主要发现

• 在仙后-双子座超星系团方向观测到能量高于10^19.4 eV的UHECR过量，显著性为4.0–4.4σ。
• 基于各向同性蒙特卡洛模拟，该过量由偶然引起的可能性估计为3.5σ，表明其随机起源的可能性极低。
• 其他附近主要天文物体的Li-Ma显著性均未超过1σ，表明仙后-双子座超星系团在过量关联中具有独特性。
• 与五个附近主要结构中任意一个发生随机重合的显著性估计约为3σ，进一步支持该超星系团作为源候选者的角色。
• 仙后-双子座超星系团包含多种天体物理对象（如活动星系、星暴星系及大尺度激波），可能具备加速UHECR的能力。
• TA×4项目正在推进中，其扩展的孔径与新型荧光探测器有望显著提升北半球UHECR研究的统计功效与源定位能力。