[论文解读] On Gamma Ray Burst and Blazar AGN Origins of the Ultra-High Energy Cosmic Rays in Light of First Results from Auger

C. D. Dermer|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用 23

一句话总结

本文基于皮埃尔·朱雷观测站的数据，论证伽马射线暴（GRBs）和射电噪暴类星体活动星系核（radio-loud blazar AGNs）是最可能的超高能宇宙射线（UHECRs）天体物理源，这些数据表明存在GZK截断现象，并且UHECRs在75 Mpc以内的邻近AGNs方向上呈现聚集。研究证明，UHECR离子在AGN辐射场中可存活光致分解，且需要约10⁻¹¹ G的最小星际磁场才能解释观测到的聚集现象，未来中微子和伽马射线观测对确定源身份至关重要。

ABSTRACT

The discoveries of the GZK cutoff with the HiRes and Auger Observatories and the discovery by Auger of clustering of >~60 EeV ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) towards nearby

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·朱雷观测站的首批结果，识别超高能宇宙射线（UHECRs）的天体物理来源。
• 基于观测约束，评估伽马射线暴（GRBs）和射电噪暴类星体活动星系核（radio-loud blazar AGNs）作为UHECR加速器的可行性。
• 确定UHECR离子在穿越类星体活动星系核辐射场时是否能存活光致分解。
• 从UHECR向邻近类星体活动星系核的聚集现象推导星际磁场（IGM）强度的下限。
• 预测可探测的高能伽马射线和中微子特征，以确认UHECR源的起源。

提出的方法

• 以皮埃尔·朱雷观测站探测到的GZK截断现象以及在60 EeV以上UHECRs向75 Mpc以内的邻近类星体活动星系核（AGNs）方向的聚集为观测约束。
• 利用经验性EBL拟合，计算质子和铁核在与宇宙微波背景辐射（CMBR）和星系际背景光（EBL）相互作用时的能量损失平均自由程。
• 采用光致产生和光致分解截面模型，并按A²ᐟ³缩放离子的截面，假设非弹性性和截面缩放关系。
• 从UHECR向邻近类星体活动星系核的聚集现象推导出最小星际磁场强度（约10⁻¹¹ G），假设特定源候选体如天蝎座A或GRBs。
• 利用GLAST和IceCube类探测器评估强子伽马射线特征和GZK/光致产生中微子的可探测性。
• 通过假设1–100 μm波段的EBL强度，对本征类星体伽马射线谱与观测谱进行去卷积，偏好光谱指数比-2更陡的低EBL模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使从宽线区内部发射，UHECR离子在类星体活动星系核辐射场中传播时是否能存活光致分解？
• RQ2 为解释UHECRs向邻近类星体活动星系核的观测聚集，所需的最小星际磁场强度是多少？
• RQ3 GRBs和类星体活动星系核是否满足作为可行UHECR源的五项标准：河外起源、足够能量输出、加速能力、非热强子加速机制，以及位于GZK半径内？
• RQ4 观测到的UHECR混合成分（平均原子质量⟨A⟩ ≈ 8–26）能否通过GRBs或类星体活动星系核中核素的加速来解释？
• RQ5 UHECR源应产生何种独特的高能伽马射线和中微子特征？这些特征如何通过GLAST和IceCube探测？

主要发现

• 由于在高洛伦兹因子下相互作用率降低，即使从宽线区深处发射，UHECR离子也能在类星体活动星系核散射辐射场中存活光致分解。
• 为解释UHECRs向邻近类星体活动星系核的聚集，所需的最小星际磁场强度约为10⁻¹¹ G，假设源为天蝎座A或GRBs。
• 质子的光致产生能量损失自由程在10²⁰ eV能量下约为13.7 Mpc，与皮埃尔·朱雷和HiRes观测到的GZK截断一致。
• 铁核因光致分解在约2×10²⁰ eV处表现出GZK型截断，而光致对产生损失作用较小。
• 低星系际背景光（EBL）模型（在100 MeV–TeV波段伽马射线谱指数比-2更陡）最能解释观测到的UHECR能谱和成分。
• 若通过IceCube探测到来自UHECR源的PeV中微子，或通过ANITA探测到GZK中微子，将是最直接的证据，证明UHECR的天体物理起源。