The Astrophysics of Ultrahigh-Energy Cosmic Rays

被引:312
作者
Kotera, Kumiko [1 ]
Olinto, Angela V. [1 ]
机构
[1] Univ Chicago, Dept Astron & Astrophys, Kavli Inst Cosmol Phys, Chicago, IL 60637 USA
来源
ANNUAL REVIEW OF ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS, VOL 49 | 2011年 / 49卷
基金
美国国家科学基金会;
关键词
active galaxies; compact objects; cosmic accelerators; cosmic background radiation; gamma-ray bursts; gamma rays; magnetic fields; neutrinos; particle astrophysics; ACTIVE GALACTIC NUCLEI; LARGE-SCALE STRUCTURE; NONLINEAR PARTICLE-ACCELERATION; MAGNETIC-FIELD GENERATION; PULSAR ROTATION MEASURES; VERY-HIGH-ENERGY; HARD X-RAY; GAMMA-RAY; FERMI ACCELERATION; SHOCK-WAVES;
D O I
10.1146/annurev-astro-081710-102620
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
The origin of the highest energy cosmic rays is still unknown. The discovery of their sources is expected to reveal the workings of the most energetic astrophysical accelerators in the Universe. Current observations show a spectrum consistent with an origin in extragalactic astrophysical sources. Candidate sources range from the birth of compact objects to explosions related to gamma-ray bursts or to events in active galaxies. We discuss the main effects of propagation from cosmologically distant sources, including interactions with cosmic background radiation and magnetic fields. We examine possible acceleration mechanisms leading to a survey of candidate sources and their signatures. New questions arise from an observed hint of sky anisotropies and an unexpected evolution of composition indicators. Future observations may reach the necessary sensitivity to achieve charged particle astronomy and to observe ultrahigh-energy photons and neutrinos, which may further illuminate the workings of the Universe at these extreme energies. In addition to fostering a new understanding of high-energy astrophysical phenomena, the study of ultrahigh-energy cosmic rays can constrain the structure of the Galactic and extragalactic magnetic fields as well as probe particle interactions at energies orders of magnitude higher than achieved in terrestrial accelerators.
引用
收藏
页码:119 / 153
页数:35
相关论文
共 302 条
[1]   An upper limit on the electron-neutrino flux from the HiRes detector [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Amann, J. F. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
Ben Zvi, S. Y. ;
Bergman, D. R. ;
Biesiadecka, A. ;
Blake, S. A. ;
Boyer, J. H. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Findlay, J. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Ivanov, D. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Knapp, B. C. ;
Loh, E. C. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Mannel, E. J. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
Reil, K. ;
Riehle, R. ;
Roberts, M. D. ;
Rodriguez, D. ;
Sasaki, M. ;
Schnetzer, S. R. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2008, 684 (02) :790-793
[2]   First observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin suppression [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Amman, J. F. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
Ben Zvi, S. Y. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Connolly, B. C. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Loh, E. C. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
Reil, K. ;
Riehle, R. ;
Roberts, M. ;
Rodriguez, D. ;
Sasaki, N. ;
Schnetzer, S. R. ;
Scott, L. M. ;
Sinnis, G. ;
Smith, J. D. ;
Sokolsky, P. ;
Song, C. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2008, 100 (10)
[3]   Indications of Proton-Dominated Cosmic-Ray Composition above 1.6 EeV [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Al-Seady, M. ;
Allen, M. ;
Amman, J. F. ;
Anderson, R. J. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Loh, E. C. ;
Liu, J. ;
Lundquist, J. P. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
Reil, K. ;
Riehle, R. ;
Roberts, M. ;
Rodriguez, D. ;
Sasaki, N. ;
Schnetzer, S. R. ;
Scott, L. M. ;
Sinnis, G. ;
Smith, J. D. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2010, 104 (16)
[4]   Measurement of the flux of ultra high energy cosmic rays by the stereo technique [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Al-Seady, M. ;
Allen, M. ;
Amann, J. F. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Findlay, J. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Ivanov, D. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Loh, E. C. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
Reil, K. ;
Riehle, R. ;
Roberts, M. D. ;
Rodriguez, D. ;
Sasaki, M. ;
Schnetzer, S. R. ;
Scott, L. M. ;
Sinnis, G. ;
Smith, J. D. ;
Snow, R. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2009, 32 (01) :53-60
[5]   Search for correlations between HiRes stereo events and active galactic nuclei [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Amman, J. F. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
BenZvi, S. Y. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Boyer, J. H. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Findlay, J. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Ivanov, D. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Knapp, B. C. ;
Loh, E. C. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Mannel, E. J. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
Reil, K. ;
Riehle, R. ;
Roberts, M. D. ;
Rodriguez, D. ;
Sasaki, N. ;
Schnetzer, S. R. ;
Scott, L. M. ;
Seman, M. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2008, 30 (04) :175-179
[6]   Measurement of the flux of ultrahigh energy cosmic rays from monocular observations by the high resolution fly's eye experiment -: art. no. 151101 [J].
Abbasi, RU ;
Abu-Zayyad, T ;
Amann, JF ;
Archbold, G ;
Bellido, JA ;
Belov, K ;
Belz, JW ;
Bergman, DR ;
Cao, Z ;
Clay, RW ;
Cooper, MD ;
Dai, H ;
Dawson, BR ;
Everett, AA ;
Fedorova, YA ;
Girard, JHV ;
Gray, RC ;
Hanlon, WF ;
Hoffman, CM ;
Holzscheiter, MH ;
Hüntemeyer, P ;
Jones, BF ;
Jui, CCH ;
Kieda, DB ;
Kim, K ;
Kirn, MA ;
Loh, EC ;
Manago, N ;
Marek, LJ ;
Martens, K ;
Martin, G ;
Matthews, JAJ ;
Matthews, JN ;
Meyer, JR ;
Moore, SA ;
Morrison, P ;
Moosman, AN ;
Mumford, JR ;
Munro, MW ;
Painter, CA ;
Perera, L ;
Reil, K ;
Riehle, R ;
Roberts, M ;
Sarracino, JS ;
Sasaki, M ;
Schnetzer, SR ;
Shen, P ;
Simpson, KM ;
Sinnis, G .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2004, 92 (15) :151101-1
[7]   Upper limit on the cosmic-ray photon flux above 1019 eV using the surface detector of the Pierre Auger Observatory [J].
Abraham, J. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Aguirre, C. ;
Allard, D. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Anzalone, A. ;
Aramo, C. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Armengaud, E. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Atulugama, B. S. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avila, G. ;
Baecker, T. ;
Badagnani, D. ;
Barbosa, A. F. ;
Barnhill, D. ;
Barroso, S. L. C. ;
Bauleo, P. ;
Beatty, J. J. ;
Beau, T. ;
Becker, B. R. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bernardini, P. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanch-Bigas, O. ;
Blanco, F. ;
Blasi, P. ;
Bleve, C. ;
Biuemer, H. ;
Bohacova, M. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2008, 29 (04) :243-256
[8]   Correlation of the highest-energy cosmic rays with the positions of nearby active galactic nuclei [J].
Abraham, J. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Aguirre, C. ;
Allard, D. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Anzalone, A. ;
Aramo, C. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Armengaud, E. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Atulugama, B. S. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avila, G. ;
Baecker, T. ;
Badagnani, D. ;
Barbosa, A. F. ;
Barnhill, D. ;
Barroso, S. L. C. ;
Bauleo, P. ;
Beatty, J. J. ;
Beau, T. ;
Becker, B. R. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bernardini, P. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanch-Bigas, O. ;
Blanco, F. ;
Blasi, P. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2008, 29 (03) :188-204
[9]   Correlation of the highest-energy cosmic rays with nearby extragalactic objects [J].
Abraham, J. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Aguirre, C. ;
Allard, D. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Alvarez, C. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Anzalone, A. ;
Aramo, C. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Armengaud, E. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Atulugama, B. S. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avila, G. ;
Baecker, T. ;
Badagnani, D. ;
Barbosa, A. F. ;
Barnhill, D. ;
Barroso, S. L. C. ;
Bauleo, P. ;
Beatty, J. ;
Beau, T. ;
Becker, B. R. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bernardini, P. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanch-Bigas, O. ;
Blanco, F. ;
Blasi, P. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. .
SCIENCE, 2007, 318 (5852) :938-943
[10]   Measurement of the energy spectrum of cosmic rays above 1018 eV using the Pierre Auger Observatory [J].
Abraham, J. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Allard, D. ;
Allen, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Anticic, T. ;
Anzalone, A. ;
Aramo, C. ;
Arganda, E. ;
Arisaka, K. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avila, G. ;
Baecker, T. ;
Badagnani, D. ;
Balzer, M. ;
Barber, K. B. ;
Barbosa, A. F. ;
Barroso, S. L. C. ;
Baughman, B. ;
Bauleo, P. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, B. R. ;
Becker, K. H. ;
Belletoile, A. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanch-Bigas, O. ;
Blanco, F. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. .
PHYSICS LETTERS B, 2010, 685 (4-5) :239-246