[论文解读] Ultra-High Energy Cosmic Rays Detected by the Pierre Auger Observatory: First Direct Evidence, and its Implications, that a Subset Originate in Nearby Radiogalaxies

Neil M. Nagar, Javier Matulich|Americanae (AECID Library)|Jun 19, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用 11

一句话总结

本文首次提供了直接观测证据，表明皮埃尔·阿杰尔天文台探测到的宇宙射线中，有一部分超高能宇宙射线（UHECRs）源自具有延伸射电结构（≥180 kpc）的邻近射电星系。通过将UHECR到达方向与天文学星表进行角度交叉相关分析，发现27个能量高于56 EeV的UHECR中有4个与邻近的延伸射电星系在99.9%的显著性水平上存在相关性，确立了这些星系是至少部分UHECR的源头，而其余的UHECR则未表现出显著的各向异性。

ABSTRACT

(abridged) The Pierre Auger Collaboration has reported 27 Ultra-High Energy Cosmic Ray Events (UHECRs) with energies above 56 EeV and well determined arrival directions as of 2007 August 31. They find that the arrival directions are not isotropic, but instead appear correlated with the positions of nearby AGNs. Our aim was to determine the sources of these UHECRs by comparing their arrival directions with more comprehensive source catalogs. Four (eight) of the 27 UHECRs with energy >56EeV detected by the Pierre Auger Observatory have arrival directions within 1.5deg (3.5deg) of the extended (>180kpc) radio structures of nearby radiogalaxies or the single nearby BLLac with extended radio structure. Conversely the radio structures of three (six) of all ten nearest extended radiogalaxies are within 1.5deg (3.5deg) of a UHECR; three of the remaining four radiogalaxies are in directions with lower exposure times. This correlation between nearby extended radiogalaxies and a subset of UHECRs is significant at the 99.9% level. This is the first direct observational proof that radio galaxies are a significant source of UHECRs. For the remaining ~20 UHECRs, an isotropic distribution cannot be ruled out at high significance. The correlation found by the Auger Collaboration between the 27 UHECRs and AGNs in the Veron-Cetty & Veron catalog at D < 71Mpc has a much lower significance when one considers only the ~20 UHECRs not `matched' to nearby extended radiogalaxies. No correlation is seen between UHECRs and supernovae, supernova remnants, nearby galaxies, or nearby groups and clusters of galaxies. The primary difference between the UHECR detections at the Pierre Auger Observatory and previous experiments may thus be that the Southern Hemisphere is more privileged with respect to nearby extended radiogalaxies.

研究动机与目标

• 确定皮埃尔·阿杰尔天文台探测到的56 EeV以上超高能宇宙射线（UHECRs）的天体物理来源。
• 检验先前报道的UHECR与活动星系核（AGNs）之间相关性的主要驱动因素是否为具有延伸射电结构的邻近射电星系。
• 确定未与射电星系相关的UHECR是否与各向同性分布一致。
• 在排除与延伸射电星系匹配的UHECR后，评估UHECR-AGN相关性的显著性，并评估H II核及其他源类型的作用。

提出的方法

• 将能量高于56 EeV的27个UHECR的到达方向，与约200 Mpc范围内邻近天体源的综合星表进行交叉相关。
• 使用1.5°和3.5°的角度分离阈值，识别UHECR与射电星系延伸射电结构之间的匹配。
• 通过在角度分离（ψ）和最大红移（z_max）上的累积概率扫描进行显著性统计检验，比较包含与不包含与延伸射电星系匹配的UHECR的结果。
• 从AGN星表中排除H II核和高红移类星体（QSOs），以检验相关性结果的稳健性。
• 将结果与AGASA之前的UHECR数据进行比较，评估不同观测站之间的方向差异。
• 评估与超新星、超新星遗迹、星系群、星系团及其他源类型的关联性，以排除其他可能的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在56 EeV以上的UHECR到达方向与具有≥180 kpc射电瓣的邻近延伸射电星系之间，是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 先前在Véron-Cetty与Véron星表中报道的UHECR与AGN之间的相关性，是否主要源于与延伸射电星系相关的UHECR子集？
• RQ3 未与延伸射电星系匹配的其余UHECR是否与各向同性分布一致？
• RQ4 其他源类型（如超新星、超新星遗迹或星系团）是否与UHECR到达方向表现出显著相关性？
• RQ5 为何皮埃尔·阿杰尔天文台表现出比AGASA等早期实验更强的UHECR-AGN相关性？

主要发现

• 27个能量高于56 EeV的UHECR中，有4个的到达方向在1.5°以内与邻近射电星系的延伸射电结构（包括半人马座A、NGC 7626等）匹配。
• 8个UHECR在3.5°以内与这些结构匹配，且在距离最近的10个延伸射电星系中，有3个在1.5°以内与一个UHECR匹配，表明存在强烈的空间相关性。
• UHECR与邻近延伸射电星系之间的相关性在99.9%的置信水平下显著，提供了其作为UHECR来源的首个直接观测证据。
• 在移除与延伸射电星系匹配的4个UHECR后，与更广泛的AGN星表之间的相关性显著降低，表明这些源主导了观测到的各向异性。
• 未与延伸射电星系匹配的约20个UHECR在高显著性水平下与各向同性分布不矛盾，表明其可能具有不同的起源或未与任何源相关。
• 未发现UHECR与超新星、超新星遗迹、邻近星系或星系团之间存在显著相关性，排除了这些天体作为探测到的UHECR主要来源的可能性。