[论文解读] Sources of sub-GZK cosmic rays

P. Tinyakov, I. Tkachev|ArXiv.org|Dec 16, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出，在4–6×10¹⁹ eV能量范围内的超高能宇宙射线（UHECRs）中，相当大一部分为在BL Lacertae天体（BL Lacs）中加速的质子。通过使用银河系磁场修正的角相关性分析、观测到的γ射线关联性，以及相关射线在天空中非均匀的分布，该研究发现了强有力的统计证据，支持BL Lacs作为来源，质子成分通过轨迹修正和非随机聚集得到证实。

ABSTRACT

We analyze the existing evidence that BL Lacertae objects (BL Lacs) are sources of the highest-energy cosmic rays. We argue that three independent signatures observed in the real data -- (1) improvement of correlations with corrections of trajectories for the Galactic magnetic field; (2) connection between gamma-ray and UHECR emissions; (3) non-uniform distribution of correlating rays over the sky -- are consistent with the hypothesis that a substantial fraction of cosmic rays in the energy range 40-60 EeV are protons accelerated in BL Lacs.

研究动机与目标

• 通过独立的观测特征检验BL Lacs是否为次GZK宇宙射线来源的假设。
• 通过分析银河系磁场（GMF）中宇宙射线轨迹的偏转，确定4–6×10¹⁹ eV范围内的UHECRs中是否存在显著的质子成分。
• 通过检查天空分布模式，评估UHECRs与BL Lacs之间的关联是否为物理关联而非统计巧合。
• 评估UHECR源关联与BL Lacs的γ射线发射之间的一致性，以及与星系际磁场效应的关系。
• 通过检验轨迹修正是否提高关联显著性，验证银河系磁场模型的可靠性。

提出的方法

• 对AGASA UHECR数据（能量>4×10¹⁹ eV）应用角相关函数分析，使用BL Lacs和未识别的EGRET源作为候选源。
• 采用包含盘和晕成分的双对称螺旋（BSS）模型来描述银河系磁场（GMF），以校正宇宙射线到达方向。
• 计算在角尺度δ下偶然重合的概率p(δ)，以识别显著关联，通过最小化p(δ)来确定最优源集合。
• 通过蒙特卡洛模拟测试，天空中相关射线的非均匀分布是否可能由随机偶然性引起，使用实验接受度和源分布模型。
• 分析法拉第旋转测量值，评估GMF模型在不同天空区域（尤其是无关联区域）的可靠性。
• 比较存在和不存在强GMF修正的天空区域中的关联显著性，重点关注能量依赖行为和源聚集特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系磁场偏转校正是否能改善UHECRs与BL Lacs之间的角相关性，从而表明UHECR流中存在质子成分？
• RQ2 UHECR辐射与BL Lacs的γ射线辐射之间是否存在物理关联，如粒子加速模型所预测的那样？
• RQ3 与BL Lacs相关的UHECRs在天空中的分布是否非均匀，表明其为物理关联而非随机巧合？
• RQ4 观测到的关联显著性是否可由GMF模型解释，还是存在模型局限性或星系际磁场效应导致的差异？
• RQ5 在4–6×10¹⁹ eV能量范围内的UHECRs中，质子所占比例是多少，该比例如何影响GZK截止的解释？

主要发现

• 对银河系磁场偏转的校正显著改善了UHECRs与BL Lacs之间的角相关性，表明在4–6×10¹⁹ eV范围内的UHECRs中存在相当大比例的质子。
• 在区域I和III中，关联的偶然重合概率低于10⁻⁵，证实其物理显著性，超出统计涨落。
• 相关UHECRs在天空中的分布高度非均匀，22个射线中有19个位于区域I+III，其偶然概率仅为约3×10⁻⁴。
• 蒙特卡洛模拟证实，观测到的射线分布不对称性无法仅由BL Lacs的空间分布解释，支持存在物理关联。
• 分析中使用的GMF模型在区域I、III和IV中与观测一致，但在无关联的区域II中提示磁场方向相反。
• 对BL Lacs模型中UHECR能谱的数值模拟与数据一致，但最高能AGASA事件除外，这些事件可能需要一个高于(6–10)×10¹⁹ eV的独立成分。