[论文解读] The Possible Extragalactic Source of Ultra-High-Energy Cosmic Rays at the Telescope Array Hotspot

Hao-Ning He, Alexander Kusenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文通过建模超星系平面内的磁偏转，研究了望远镜阵列超高能宇宙射线热点的起源，识别出M82和Mrk 180为最有可能的河外候选源。研究将宇宙射线限制为轻核素，并讨论了未来能谱数据如何区分这些源。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) collaboration has reported a hotspot, a cluster of 19 cosmic ray events with energies above $57$ EeV in a circle of $20^\circ$ radius centered at ${ m R.A.}(\alpha)=146.^\circ7$, ${ m Dec.}(\delta)=43.^\circ2$. We explore the hypothesis that the hotspot could originate from a single source. By considering the energy dependent deflections that are expected to affect arrival directions of cosmic rays propagating in cosmic magnetic fields, we identify the nearby starburst galaxy M82 and the bright nearby blazar Mrk 180 as two likely candidates. Furthermore, we constrain these hotspot cosmic rays to be light nuclei by adopting a specific magnetic field in the supergalactic plane. We discuss the prospects of discriminating between the candidate sources with current and future spectral data.

研究动机与目标

• 确定望远镜阵列在赤经146.7°、赤纬43.2°处探测到的超高能宇宙射线热点的天体物理起源。
• 通过建模宇宙磁场中的能量依赖性偏转，评估热点是否源于单一河外源。
• 利用特定的超星系平面磁场模型，将热点中宇宙射线的成分限制为轻核素。
• 评估未来能谱数据区分M82和Mrk 180等候选源的潜力。

提出的方法

• 通过宇宙磁场建模超高能宇宙射线的轨迹，重点关注超星系平面内的偏转。
• 应用能量依赖性偏转计算，将到达方向追溯至潜在源。
• 使用超星系平面中特定的磁场构型，将宇宙射线的成分限制为轻核素。
• 评估观测到的到达方向与M82和Mrk 180等候选源预测的一致性。
• 评估利用望远镜阵列未来能谱数据区分源的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 望远镜阵列的超高能宇宙射线热点是否可能起源于M82或Mrk 180等单一河外源？
• RQ2 超星系平面中能量依赖性磁偏转如何影响热点起源的推断？
• RQ3 利用特定磁场模型，可对热点中宇宙射线的成分施加何种约束？
• RQ4 望远镜阵列未来的能谱数据能否区分M82和Mrk 180作为热点源？

主要发现

• 由于M82距离近且方向与热点对齐，被识别为望远镜阵列超高能宇宙射线热点的合理来源。
• 由于其位置和预期的宇宙射线发射特性，附近的明亮耀变体Mrk 180也被识别为强有力的候选源。
• 通过假设超星系平面中特定的磁场模型，本研究将热点中的宇宙射线限制为轻核素。
• 本研究证明，望远镜阵列未来的能谱数据可提供必要的区分能力，以辨别M82和Mrk 180中哪一个是热点的来源。