[论文解读] The correlation of UHECRs with nearby galaxies in the Local Volume

Antonio J. Cuesta, Francisco Prada|ArXiv.org|Oct 14, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 8

一句话总结

本研究利用皮埃尔·让代尔合作组织和卡拉琴采夫等人星系星表的数据，调查了10 Mpc（本地星系群）内超高能宇宙射线（UHECRs）与附近星系之间的相关性。研究发现，UHECRs与明亮、邻近星系之间存在2.6σ的相关性（p_chance = 0.96%），表明这些粒子具有局部起源，特别是当其成分接近CNO时，由于GZK抑制效应，其传播距离受限，从而支持其局部起源的假设。

ABSTRACT

We explore the possibility of a local origin for ultra high energy cosmic rays (UHECRs). Using the catalogue of Karachentsev et al. including nearby galaxies with distances less than 10Mpc (Local Volume), we search for a correlation with the sample of UHECR events released so far by the Pierre Auger collaboration. The counterpart sample selection is performed with variable distance and luminosity cuts which extract the most likely sources in the catalogue. The probability of chance correlation after penalizing for scans is 0.96%, which corresponds to a correlation signal of 2.6σ. We find that the parameters that maximize the signal are ψ=3.0deg, D_{max}=4Mpc and M_B=-15 for the maximum angular separation between cosmic rays and galaxy sources, maximum distance to the source, and sources brighter than B-band absolute magnitude respectively. This implies a preference for the UHECRs arrival directions to be correlated with the nearest and most luminous galaxies in the Local Volume. We note that nearby galaxies with D<10Mpc show a similar correlation with UHECRs as compared to that found by The Pierre Auger Collaboration using active galactic nuclei (AGNs) within 70-100Mpc instead of local galaxies, although less than 20% of cosmic ray events are correlated to a source in our study. However, the observational evidence for mixed composition in the high-energy end of the cosmic ray spectrum supports the possibility of a local origin for UHECRs, as CNO nuclei can travel only few Mpc without strong attenuation by the GZK effect, whereas the observed suppression in the energy spectrum would require more distant sources in the case of pure proton composition interacting with the CMB.

研究动机与目标

• 检验假设：若CNO核素在长距离传播中因GZK效应强烈衰减，则UHECRs可能起源于10 Mpc以内的邻近星系。
• 评估观测到的UHECR到达方向是否与明亮、邻近星系相关，使用考虑多重扫描参数的统计方法。
• 确定与邻近星系的相关性是否可作为UHECR起源的AGN假说的可行替代或补充。
• 评估该相关性是否在事后参数扫描导致的“全局搜索效应”下依然稳健。

提出的方法

• 作者将皮埃尔·让代尔合作组织提供的27个能量超过55 EeV的UHECR事件，与卡拉琴采夫等人在10 Mpc范围内的星系星表进行交叉相关，使用可变的角距离截断（ψ）、最大距离（D_max）和绝对星等（M_B）。
• 在参数空间（ψ从0°到10°，D_max从1到10 Mpc，M_B从-10到-20）内进行扫描，以识别能最大化相关信号的组合。
• 通过蒙特卡洛模拟计算偶然相关性的概率，对所执行的扫描次数进行惩罚，以考虑“全局搜索效应”。
• 通过将观测到的相关事件数（5个）与各向同性通量下的期望值（0.5个）比较，评估相关性的显著性。
• 使用超星系坐标系映射相关源的空间分布，识别出在150° < SGL < 165°和-10° < SGB < -5°区域存在集中现象。
• 将本研究结果与皮埃尔·让代尔合作组织（2008年）的结果进行比较，该研究发现与AGN存在相似显著性，评估本地星系相关性是否可能是早期结果的后果。

实验结果

研究问题

• RQ1 UHECRs的到达方向与本地星系群内邻近星系之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 在考虑多重扫描参数后，该观测到的相关性是否可由偶然性解释？
• RQ3 哪些最优的角距离、最大距离和光度阈值能最大化相关信号？
• RQ4 在GZK效应和成分测量的约束下，与邻近星系的相关性是否可作为UHECR起源的可行替代解释？
• RQ5 与本地星系的观测相关性是否与先前报告的与AGN的相关性一致或可继承自后者？

主要发现

• 研究发现，UHECRs与本地星系群内邻近星系之间存在2.6σ的相关性，经多重扫描参数校正后，偶然相关概率为0.96%。
• 最大化信号的最优参数为ψ = 3.0°，D_max = 4 Mpc，M_B = -15，表明最明亮且最近的星系对相关性贡献最大。
• 27个UHECR事件中有5个与星表中的星系相关，显著高于各向同性通量下的预期值（0.5个）。
• 相关性在超星系面附近最强（150° < SGL < 165°，-10° < SGB < -5°），表明高密度结构存在优选方向。
• 与邻近星系的相关性显著性与皮埃尔·让代尔合作组织先前发现的AGN相关性相当，但偶然概率更低（0.96% vs. 扫描校正后约6×10⁻³）。
• 若UHECRs成分为CNO型，则其结果与局部起源一致，因为此类核素在超过约4 Mpc的距离会因GZK效应而被强烈衰减，从而将源限制在本地星系群内。