[论文解读] Testing the correlations between ultra-high-energy cosmic rays and BL Lac type objects with HiRes stereoscopic data

Dmitry Gorbunov, P. Tinyakov+2 more|ArXiv.org|Jun 29, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用 5

一句话总结

本研究检验了由HiRes立体实验探测到的超高能宇宙射线（UHECRs）与三组BL Lacertae（BL Lac）天体之间的相关性。通过角相关函数和蒙特卡洛模拟，仅在最大样本（156个V星等 < 18的BL Lacs）中发现显著相关性，表明在E > 10¹⁹ eV时中性初级粒子占比约为3%，支持BL Lacs作为潜在的UHECR来源。

ABSTRACT

Previously suggested correlations of BL Lac type objects with the arrival directions of the ultra-high-energy cosmic ray primaries are tested by making use of the HiRes stereoscopic data. The results of the study support the conclusion that BL Lacs may be the cosmic ray sources and suggest the presence of a small (a few percent) fraction of neutral primaries at E&gt;10^{19} eV.

研究动机与目标

• 利用独立的HiRes立体数据，检验超高能宇宙射线（UHECRs）与BL Lac类型天体之间相关性的假设。
• 评估在AGASA和Yakutsk数据中先前观测到的UHECR与BL Lacs之间的相关性是否在新的独立数据集中得到确认。
• 在HiRes的角分辨率和探测范围条件下，确定与观测到的相关性一致的中性UHECR初级粒子的比例。
• 在考虑样本之间非独立性的情况下，评估三种不同BL Lac样本的相关性的统计显著性。
• 基于角聚集和偏转约束，推断UHECR源的性质以及UHECR流的成分。

提出的方法

• 应用角相关函数方法，计算在角距离δ内UHECR–BL Lac配对数，使用真实HiRes数据和蒙特卡洛模拟。
• 生成与HiRes探测器接受度（天顶角和方位角分布）相匹配的随机UHECR事件分布，以估计背景期望值。
• 通过重复蒙特卡洛试验，计算观测到的关联配对数可能源自随机无关联分布的概率P(δ)。
• 测试了三个预先存在的BL Lac样本：22个最明亮的、14个伽马射线明亮候选体，以及156个V星等 < 18的天体，以评估不同源选择下的一致性。
• 使用最小P(δ)值（在δ = 0.8°处）评估显著性，P(0.8) = 4×10⁻⁴表明对无相关性的原假设存在强烈反对证据。
• 在假设8个HiRes事件（共271个）起源于BL Lacs的前提下，估计与观测相关性一致的中性初级粒子比例（≈3%）。

实验结果

研究问题

• RQ1 HiRes探测到的UHECR到达方向与三组BL Lac样本中的任意一组是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 早期数据集（AGASA、Yakutsk）中观测到的相关性信号是否在独立的HiRes立体数据集中持续存在？
• RQ3 在观测到与BL Lacs相关性的情况下，E > 10¹⁹ eV能量段的UHECR流中，有多少比例的粒子可被解释为中性？
• RQ4 为何仅部分BL Lac样本显示出显著相关性？这对其UHECR源的本征属性有何启示？
• RQ5 观测到的角聚集是否可由带电粒子解释，还是必须存在显著比例的中性初级粒子以避免在银河系磁场中发生过度偏转？

主要发现

• 仅最大BL Lac样本（156个V星等 < 18的天体）与HiRes UHECR事件显示出统计显著的相关性，P(0.8°) = 4×10⁻⁴。
• 在1°角距离内观测到11对UHECR–BL Lac配对，显著高于蒙特卡洛模拟预测的约3对随机背景配对数。
• 该相关性与约8个HiRes事件（共271个，≈3%）为起源于BL Lacs的中性初级粒子的假设一致。
• 在22个或14个BL Lacs的较小样本中未观测到相关性，表明仅在更广泛、星等限制的样本中存在稳健信号。
• 相关性的角尺度（在δ ≈ 0.8°处达到峰值）远小于银河系磁场中带电UHECR预期的典型偏转尺度，支持存在显著比例的中性初级粒子。
• 结果与AGASA中观测到的聚集现象一致，表明目前仅有几百个源对UHECR流有贡献。