銀河系外宇宙線

アルゼンチンのメンドーサ州にあるピエール・オージェ天文台は、1.5  km 間隔で配置され、総面積 3000  km ²をカバーする 1660 個の地表検出器と、地表検出器を見下ろす 4 か所の異なる場所に設置された 27 個の蛍光検出器で構成されています。^{[ 5 ] [ 6 ]}天文台は 2004 年に運用を開始し、建設が完了した 2008 年にフル稼働を開始しました。地表検出器は水チェレンコフ検出器で、各検出器は直径 3.6 m のタンクです。ピエール・オージェ天文台の最も注目すべき成果の 1 つは、 8 × 10 ¹⁸ eVを超えるエネルギーの宇宙線の到来方向における双極子異方性の検出であり、これは宇宙線が銀河系外起源であることを示す最初の決定的な証拠でした。^{[ 7 ] [ 8 ]}

テレスコープアレイはアメリカ合衆国ユタ州に位置し、1.2  km 間隔で配置された 507 個の地表検出器で構成され、総面積は 700  km ^{2 [ 9 ]}、さらに各ステーションに 12 ～ 14 個の蛍光検出器を備えた 3 つの蛍光検出器ステーションがあります。^{[ 10 ]}テレスコープアレイは、かつて日本の地表検出器アレイであった明野巨大空気シャワーアレイ (AGASA)と、同じくユタ州にあった空気蛍光検出器である高解像度フライズアイ (HiRes) を運用していたチームとの協力によって構築されました。 ^{[ 11 ]テレスコープアレイは当初、10 19} eVを超えるエネルギーの宇宙線を検出するように設計されていましたが、プロジェクトの拡張であるテレスコープアレイ低エネルギー拡張 (TALE) が現在進行中であり、3 × 10 ¹⁶ eVを超えるエネルギーの宇宙線の観測が可能になります。^{[ 12 ]}

活動銀河核（AGN）は宇宙で最もエネルギーの高い天体の一つとしてよく知られており、そのため銀河系外宇宙線の生成源としてしばしば考えられています。AGNは極めて高い光度を持つため、そのエネルギーのわずか1/1000しか加速に使われなくても、宇宙線を必要なエネルギーまで加速することができます。この仮説を裏付ける観測結果もいくつかあります。ピエール・オージェ天文台による宇宙線測定の分析では、5×10¹⁹ ^eVを超える最高エネルギーの宇宙線の到来方向と近傍の活動銀河の位置との間に相関関係があることが示唆されています。^{[ 28 ]} 2017年、IceCubeは、フレアを起こしているブレーザーTXS 0506-056 [ ^{29 ]}と方向が一致する290 TeVの^高エネルギーニュートリノを検出し、銀河系外宇宙線の発生源としてAGNの主張を強化しました。高エネルギーニュートリノは、対応する高エネルギー陽子と宇宙マイクロ波背景放射（CMB）との相互作用によって生成されたパイ中間子の崩壊（光パイ中間子生成）または高エネルギー原子核の光崩壊から発生すると考えられており、ニュートリノは宇宙をほぼ妨げられることなく移動するため、高エネルギー宇宙線の発生源まで遡ることができます。 

銀河団は、宇宙網のフィラメントからガスと銀河を継続的に集積しています。集積された冷たいガスが高温の銀河団内媒体に落下すると、銀河団の外縁で衝撃波が発生し、拡散衝撃加速機構によって宇宙線が加速される可能性があります。 ^{[ 30 ]}相対論的電子からのシンクロトロン放射によるものと予想される大規模な電波ハローと電波残骸^{[ 31 ]}は、銀河団が高エネルギー粒子を宿していることを示しています。^{[ 32 ]}研究によると、銀河団内の衝撃波は鉄原子核を10 ²⁰ eVまで加速できることがわかっています^{[ 33 ]。}これは、ピエール・オージェ観測所で観測された最もエネルギーの高い宇宙線とほぼ同じです。^{[ 18 ]}しかし、クラスターが陽子や原子核をそのような高エネルギーまで加速する場合、高エネルギー粒子とクラスター内媒体との相互作用によりガンマ線も放出されるはずです。^{[ 34 ]}このガンマ線放出はまだ観測されておらず、^{[ 35 ]}説明が難しいです。

ガンマ線バースト（GRB）は、観測された宇宙線フラックスを生成するのに必要なエネルギーがγ線における典型的な光度と類似しており、拡散衝撃加速によって陽子を10 ²⁰ eVのエネルギーまで加速できることから、銀河系外宇宙線の発生源として最初に提案されました。^{[ 36 ]}長時間のガンマ線バースト（GRB）は、高エネルギーでより重い組成の証拠があることから、銀河系外宇宙線の発生源として特に興味深いものです。長時間のGRBは、大質量星の死と関連しており、^{[ 37 ]}大質量星は重元素を生成することがよく知られています。しかし、この場合、多くの重原子核が光崩壊し、GRBに関連するかなりのニュートリノ放出につながりますが、これは観測されていません。^{[ 38 ]}いくつかの研究では、低光度GRBと呼ばれる特定のGRB群がこの問題を解決する可能性があると示唆されている。光度が低いと光解離とニュートリノ生成が少なくなるためである。^{[ 39 ]}これらの低光度GRBは、同時に観測された高エネルギーニュートリノも説明できる可能性がある。^{[ 40 ]}しかし、これらの低光度GRBは高エネルギー宇宙線の主要な発生源となるほどエネルギーが高くないという議論もある。^{[ 41 ]}

中性子星は、大質量星の核崩壊によって形成され、ガンマ線バーストと同様に、重原子核の発生源となり得る。中性子星、特に若いパルサーやマグネターを銀河系外宇宙線の発生源とするモデルでは、磁化された中性子星の高速回転によって生じる電場によって、天体の表面から重元素（主に鉄）が剥ぎ取られる。 ^{[ 42 ]}この同じ電場は、鉄原子核を最大 10 ²⁰ eV まで加速することができる。^{[ 42 ]}重原子核の光崩壊によって、より低いエネルギーの軽い元素が生成され、ピエール・オージェ天文台の観測結果と一致する。^{[ 43 ]}このシナリオでは、天の川銀河内の中性子星によって加速された宇宙線が、超新星残骸で生成された銀河宇宙線と銀河系外宇宙線の間の「遷移領域」を埋める可能性がある。^{[ 44 ]}