[论文解读] Ultra-high energy cosmic rays from radio galaxies revisited

J. P. Rachen|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文提出，超高能宇宙射线（UHECRs）起源于射电星系的致密、相对论性喷流（耀变体区域），特别是半人马座A。质子在这些喷流中通过费米激波加速，随后转化为中子，这些中子在数百万秒差距的距离内不受衰减地传播，随后衰变为质子，形成准直的UHECR束流。该模型解释了观测到的UHECR事件与半人马座A主瓣轴向对齐的现象，并预测了可探测的高能中微子通量。

ABSTRACT

A striking concentration of ultra-high energy cosmic ray (UHECR) events observed by the Pierre Auger Observatory around the direction of the nearby radio galaxy Centaurus A revives the idea that radio galaxies may be dominant sources of UHECR. In this paper, we give a brief overview about processes which may accelerate protons and nuclei in radio galaxies, and their relation to jet power, radio morphology and cosmic source density. We argue that, except for the most powerful FR-II radio galaxies, processes in radio lobes are unlikely to explain the origin of UHECR. However, Fermi acceleration of protons at internal shocks in the "blazarzone" of all radio galaxies, and their photohadronic conversion into neutrons, may lead to the ejection of "UHECR-beams", which remain collimated over several Mpc. Consequences of this hypothesis for the interpretation of the UHECR event distribution, in particular for the special case of Centaurus A, are discussed.

研究动机与目标

• 解释观测到的UHECR事件向半人马座A集中的现象，该现象挑战了FR-II型射电星系作为UHECR源的主导地位。
• 研究射电星系的相对论性喷流（耀变体区域）中的费米加速是否可通过质子到中子的转化及束流准直产生UHECRs。
• 检验UHECRs以长寿命、准直的中子束形式发射，经星际空间传播后衰变为质子的假设。
• 评估该模型对宇宙中微子通量及耀变体中伽马射线发射机制的影响，特别是区分强子模型与逆康普顿散射模型。
• 评估通过未来UHECR统计和射电星系残余结构的低频射电观测来检验该模型的可行性。

提出的方法

• 使用射电星系耀变体区域中相对论性激波前的首阶费米加速，模拟质子能量提升至100 EeV。
• 应用最大能量估计公式 E_max ~ ZeB′R′β′_shΓ，评估相对论性喷流中激波特性的加速潜力。
• 模拟中子束传播：相对论性中子（Γ ~ 10）在衰变前可传播超过600 kpc，由于星际磁场微弱，束流保持准直。
• 分析质子束流的去准直时间尺度，并与GZK能量损失时间尺度比较，评估束流稳定性。
• 使用泊松统计分析UHECR事件与半人马座A瓣轴对齐的概率（在3°×30°条带内5个事件，P ~ 2×10⁻⁸）。
• 预测宇宙中微子通量在约1 EeV处达到峰值，源自质子束中π介子的衰变，作为可检验的特征信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 射电星系耀变体区域中的费米加速能否产生能量超过100 EeV的UHECRs？
• RQ2 UHECR事件与半人马座A主瓣轴的观测对齐是否与准直中子束模型一致？
• RQ3 射电星系产生的中子束在星际磁场影响下，能否在数百万秒差距的距离内保持准直？
• RQ4 该模型是否预测了可被IceCube探测到的高能中微子通量？
• RQ5 能否通过多波段观测区分耀变体伽马射线发射的强子起源与逆康普顿散射？

主要发现

• 该模型将观测到的UHECR事件向半人马座A集中解释为与巨大瓣轴对齐的准直中子束的结果，随机对齐的概率极低，约为~2×10⁻⁸。
• 若喷流具有高整体洛伦兹因子（Γ ~ 10）且含有足够的强子成分，射电星系耀变体区域中的费米加速可产生能量超过100 EeV的质子。
• 耀变体中子束在超过600 kpc的距离内保持准直，得益于其相对论性增强，可在星际传播中几乎不发生偏转。
• 该模型预测宇宙中微子通量在约1 EeV处达到峰值，提供了一个与纯轻子模型不同的可检验特征。
• 半人马座A的巨大瓣可能由过去的活跃阶段形成，其可能曾包含一个穿透并照亮了旧射电残余结构的UHECR束流。
• 该模型意味着UHECRs主要由质子构成，若该机制成立，则耀变体中的伽马射线发射必须为强子起源，而非逆康普顿机制。