[论文解读] The Nature and Origin of Ultra-High Energy Cosmic Ray Particles

Peter L. Biermann, L. Caramete+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

该论文提出，超高能宇宙射线（UHECRs）起源于两类不同的天体物理源：通过超大质量黑洞（SMBH）并合与相对论喷流，来自像半人马座A（Cen A）这样的射电星系；以及通过相对论性超新星或伽马暴，来自像M82这样的星暴星系。这些源产生UHECRs、PeV中微子、TeV光子以及低频至高频的引力波（GWs），单个GW事件的能量转折点可达约10⁶³ erg，为多信使天文学提供了一个统一的高能物理实验室。

ABSTRACT

We outline two concepts to explain Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs), one based on radio galaxies and their relativistic jets and terminal hot spots, and one based on relativistic Super-Novae (SNe) or Gamma Ray Bursts (GRBs) in starburst galaxies, one matching the arrival direction data in the South (the radio galaxy Cen A) and one in the North (the starburst galaxy M82). Ubiquitous neutrino emission follows accompanied by compact TeV photon emission, detectable more easily if the direction is towards Earth. The ejection of UHECRs is last. We have observed particles up to ZeV, neutrinos up to PeV, photons up to TeV, 30 - 300 Hz GW events, and hope to detect soon of order Hz to mHz GW events. Energy turnover in single low frequency GW events may be of order 10^63 erg. How can we further test these concepts? First of all by associating individual UHECR events, or directional groups of events, with chemical composition in both the Telescope Array (TA) Coll. and the Auger Coll. data. Second by identifying more TeV to PeV neutrinos with recent SMBH mergers. Third by detecting the order < mHz GW events of SMBH binaries, and identifying the galaxies host to the stellar BH mergers and their GW events in the range up to 300 Hz. Fourth by finally detecting the formation of the first generation of SMBHs and their mergers, surely a spectacular discovery.

研究动机与目标

• 通过在南天和北天识别特定天体物理源，解释观测到的超高能宇宙射线（UHECR）到达方向的各向异性。
• 在单一多信使框架内统一解释UHECRs、高能中微子、TeV光子与引力波（GWs）的起源。
• 检验SMBH并合在星暴星系（如M82）中是否为在10–300 Hz频段探测到的恒星级黑洞（BH）并合GW事件的主要来源的假设。
• 建立UHECRs的化学成分与TElescope Array和Pierre Auger Observatory数据中方向聚集之间的关联。
• 预测SMBH与恒星级黑洞并合可产生的可探测特征——如方向性中微子爆发与GW背景——以供未来多信使验证。

提出的方法

• 提出双源模型：(1) 射电星系（如Cen A）中的SMBH并合，依次产生低频GWs、相对论喷流与UHECRs；(2) 星暴星系（如M82）中的相对论性超新星/伽马暴，产生高能粒子与中微子。
• 利用UHECRs与Cen A（南天）及M82（北天）之间的方向相关性，约束源的位置与辐射机制。
• 应用相对论喷流与激波前缘中的粒子加速模型，假设玻姆型扩散与激波后区域磁场∝ r⁻¹的标度关系。
• 通过磁场与激波速度估算粒子最大能量，Z带电核素的上限接近10²¹ Z eV。
• 预测SMBH并合产生的低频GW背景，频率范围为1–1000 μHz，单个事件的能量转折点可达约10⁶³ erg。
• 将恒星级黑洞并合率与恒星形成率通过远红外（FIR）光度关联，假设双星大质量恒星主导GW事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何UHECRs在南天出现方向热点（Cen A），而在北天出现更强的热点（M82），其各向异性的物理解释是什么？
• RQ2 如何在单一天体物理框架内解释UHECRs、PeV中微子、TeV光子与引力波的同步产生？
• RQ3 SMBH并合在产生低频GWs与相对论喷流中扮演何种角色？这一序列如何影响可探测的多信使信号？
• RQ4 UHECRs的化学成分如何与Telescope Array与Pierre Auger Observatory数据中的方向聚集相关联？
• RQ5 第一代超大质量黑洞的形成与并合是否可通过μHz至mHz频段的引力波信号探测到？这对宇宙学有何意义？

主要发现

• 南天天区的到达方向热点最可能由射电星系半人马座A（Cen A）解释，近期SMBH双星并合可能触发了新的相对论喷流。
• 北天天区更强的方向热点最符合星暴星系M82的特征，其中相对论性超新星或伽马暴产生高能粒子。
• UHECRs能量可达约10²¹ Z eV，粒子加速发生在相对论喷流冲入致密星际介质所驱动的激波中。
• SMBH并合后预期普遍存在中微子发射，若新喷流朝向地球，则可探测到中微子通量。
• 单个低频GW事件的能量转折点可能达约10⁶³ erg，尤其在高自旋SMBH并合中更为显著。
• 在10–300 Hz频段探测到的恒星级黑洞并合事件最可能位于FIR光度高、金属丰度低（Z_ch）的星暴星系中，这些区域的恒星形成与黑洞形成最为强烈。