Hadronic High-energy Emission from Magnetically Arrested Disks in Radio Galaxies

被引：28

作者：

Kimura, Shigeo S. ^{[1
,2
]}

Toma, Kenji ^{[1
,2
]}

机构：

[1] Tohoku Univ, Frontier Res Inst Interdisciplinary Sci, Sendai, Miyagi 9808578, Japan

[2] Tohoku Univ, Grad Sch Sci, Astron Inst, Sendai, Miyagi 9808578, Japan

来源：

ASTROPHYSICAL JOURNAL | 2020年 / 905卷 / 02期

关键词：

Radio active galactic nuclei; Low-luminosity active galactic nuclei; Gamma-rays; Accretion; Non-thermal radiation sources; Cosmic background radiation; GAMMA-RAY EMISSION; ADVECTION-DOMINATED ACCRETION; BLACK-HOLES; MAGNETOHYDRODYNAMIC SIMULATIONS; PARTICLE-ACCELERATION; LUMINOSITY; JET; MOMENTUM; FLOWS; M87;

D O I：

10.3847/1538-4357/abc343

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We propose a novel interpretation that gamma rays from nearby radio galaxies are hadronic emission from magnetically arrested disks (MADs) around central black holes (BHs). The magnetic energy in MADs is higher than the thermal energy of the accreting plasma, where the magnetic reconnection or turbulence may efficiently accelerate nonthermal protons. They emit gamma rays via hadronic processes, which can account for the observed gamma rays for M87 and NGC 315. Nonthermal electrons are also accelerated with protons and produce MeV gamma rays, which is useful to test our model by proposed MeV satellites. The hadronic emission from the MADs may significantly contribute to the GeV gamma-ray background and produce the multi-PeV neutrino background detectable by IceCube-Gen2. In addition, gamma rays from MADs provide electron-positron pairs through two-photon pair production at the BH magnetosphere. These pairs can screen the vacuum gap, which affects high-energy emission and jet-launching mechanisms in radio galaxies.

引用

页数：10

共 145 条

[1] Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. I. Measurements at energies above 1017.8 eV [J].

Aab, A. ;

Abreu, P. ;

Aglietta, M. ;

Ahn, E. J. ;

Al Samarai, I. ;

Albuquerque, I. F. M. ;

Allekotte, I. ;

Allen, J. ;

Allison, P. ;

Almela, A. ;

Alvarez Castillo, J. ;

Alvarez-Muniz, J. ;

Batista, R. Alves ;

Ambrosio, M. ;

Aminaei, A. ;

Anchordoqui, L. ;

Andringa, S. ;

Aramo, C. ;

Aranda, V. M. ;

Arqueros, F. ;

Asorey, H. ;

Assis, P. ;

Aublin, J. ;

Ave, M. ;

Avenier, M. ;

Avila, G. ;

Awal, N. ;

Badescu, A. M. ;

Barber, K. B. ;

Baeuml, J. ;

Baus, C. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. H. ;

Bellido, J. A. ;

Berat, C. ;

Bertaina, M. E. ;

Bertou, X. ;

Biermann, P. L. ;

Billoir, P. ;

Blaess, S. ;

Blanco, M. ;

Bleve, C. ;

Bluemer, H. ;

Bohacova, M. ;

Boncioli, D. ;

Bonifazi, C. ;

Bonino, R. ;

Borodai, N. ;

Brack, J. ;

Brancus, I. .

PHYSICAL REVIEW D, 2014, 90 (12)

[2] Characteristics of the Diffuse Astrophysical Electron and Tau Neutrino Flux with Six Years of IceCube High Energy Cascade Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A., V ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Chen, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (12)

[3] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V. ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. -H. ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 124 (05)

[4] Differential limit on the extremely-high-energy cosmic neutrino flux in the presence of astrophysical background from nine years of IceCube data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Argueelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barbano, A. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW D, 2018, 98 (06)

[5] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Arsioli, B. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Ben Zvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Bos, F. ;

Boser, S. ;

Botner, O. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398) :147-+

[6] SEARCH FOR SOURCES OF HIGH-ENERGY NEUTRONS WITH FOUR YEARS OF DATA FROM THE ICETOP DETECTOR [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Burgman, A. ;

Carver, T. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Clark, K. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2016, 830 (02)

[7] Evidence for Astrophysical Muon Neutrinos from the Northern Sky with IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Beiser, E. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Boerner, M. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Braun, J. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2015, 115 (08)

[8] A COMBINED MAXIMUM-LIKELIHOOD ANALYSIS OF THE HIGH-ENERGY ASTROPHYSICAL NEUTRINO FLUX MEASURED WITH ICECUBE [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

Beiser, E. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

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Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

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Boeser, S. ;

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Braun, J. ;

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Brown, A. M. ;

Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2015, 809 (01)

[9]

Aartsen M. G., 2019, ARXIV191102561

[10] FERMI LARGE AREA TELESCOPE GAMMA-RAY DETECTION OF THE RADIO GALAXY M87 [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Axelsson, M. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Burnett, T. H. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Cannon, A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cavazzuti, E. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe ;

Charles, E. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Colafrancesco, S. ;

Conrad, J. ;

Costamante, L. ;

Cutini, S. ;

Davis, D. S. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Donato, D. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Dumora, D. ;

Edmonds, Y. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2009, 707 (01) :55-60

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共 145 条

[1] Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. I. Measurements at energies above 1017.8 eV [J].

Aab, A. ;

Abreu, P. ;

Aglietta, M. ;

Ahn, E. J. ;

Al Samarai, I. ;

Albuquerque, I. F. M. ;

Allekotte, I. ;

Allen, J. ;

Allison, P. ;

Almela, A. ;

Alvarez Castillo, J. ;

Alvarez-Muniz, J. ;

Batista, R. Alves ;

Ambrosio, M. ;

Aminaei, A. ;

Anchordoqui, L. ;

Andringa, S. ;

Aramo, C. ;

Aranda, V. M. ;

Arqueros, F. ;

Asorey, H. ;

Assis, P. ;

Aublin, J. ;

Ave, M. ;

Avenier, M. ;

Avila, G. ;

Awal, N. ;

Badescu, A. M. ;

Barber, K. B. ;

Baeuml, J. ;

Baus, C. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. H. ;

Bellido, J. A. ;

Berat, C. ;

Bertaina, M. E. ;

Bertou, X. ;

Biermann, P. L. ;

Billoir, P. ;

Blaess, S. ;

Blanco, M. ;

Bleve, C. ;

Bluemer, H. ;

Bohacova, M. ;

Boncioli, D. ;

Bonifazi, C. ;

Bonino, R. ;

Borodai, N. ;

Brack, J. ;

Brancus, I. .

PHYSICAL REVIEW D, 2014, 90 (12)

[2] Characteristics of the Diffuse Astrophysical Electron and Tau Neutrino Flux with Six Years of IceCube High Energy Cascade Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A., V ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K-H ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Boettcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Chen, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (12)

[3] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Alispach, C. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Balagopal, A. ;

Barbano, A. ;

Barwick, S. W. ;

Bastian, B. ;

Baum, V. ;

Baur, S. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Becker, K. -H. ;

Tjus, J. Becker ;

BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

Borner, M. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Bottcher, J. ;

Bourbeau, E. ;

Bourbeau, J. ;

Bradascio, F. ;

Braun, J. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Buscher, J. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 124 (05)

[4] Differential limit on the extremely-high-energy cosmic neutrino flux in the presence of astrophysical background from nine years of IceCube data [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Argueelles, C. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Backes, P. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barbano, A. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

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BenZvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

Bohm, C. ;

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Bos, F. ;

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Bourbeau, J. ;

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Brenzke, M. ;

Bretz, H. -P. ;

Bron, S. ;

Brostean-Kaiser, J. ;

Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. .

PHYSICAL REVIEW D, 2018, 98 (06)

[5] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Al Samarai, I. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Arguelles, C. ;

Arsioli, B. ;

Auffenberg, J. ;

Axani, S. ;

Bagherpour, H. ;

Bai, X. ;

Barron, J. P. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

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Ben Zvi, S. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

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Blaufuss, E. ;

Blot, S. ;

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Burgman, A. ;

Busse, R. S. ;

Carver, T. ;

Cheung, E. .

SCIENCE, 2018, 361 (6398) :147-+

[6] SEARCH FOR SOURCES OF HIGH-ENERGY NEUTRONS WITH FOUR YEARS OF DATA FROM THE ICETOP DETECTOR [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Andeen, K. ;

Anderson, T. ;

Ansseau, I. ;

Anton, G. ;

Archinger, M. ;

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Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Clark, K. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2016, 830 (02)

[7] Evidence for Astrophysical Muon Neutrinos from the Northern Sky with IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

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Arlen, T. C. ;

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Berghaus, P. ;

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Bernhard, A. ;

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Bissok, M. ;

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Brayeur, L. ;

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Brown, A. M. ;

Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2015, 115 (08)

[8] A COMBINED MAXIMUM-LIKELIHOOD ANALYSIS OF THE HIGH-ENERGY ASTROPHYSICAL NEUTRINO FLUX MEASURED WITH ICECUBE [J].

Aartsen, M. G. ;

Abraham, K. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Archinger, M. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

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