Beyond the Local Void: A data-driven search for the origins of the Amaterasu particle

Resumo Técnico: Além do Vazio Local: Uma busca baseada em dados pelas origens da partícula Amaterasu

Definição do Problema
As origens dos Raios Cósmicos de Ultra-Alta Energia (UHECRs), particularmente aqueles que excedem $10^{20}$ eV, permanecem não identificadas. Embora esforços anteriores tenham vinculado UHECRs a catálogos de galáxias starburst (SBGs) e núcleos galácticos ativos (AGN), esses modelos têm dificuldade em explicar eventos nas energias mais elevadas. A partícula "Amaterasu", detectada pelo Telescope Array com uma energia de $244 \pm 29$ (estat.) $^{+51}_{-76}$ (sist.) EeV, apresenta um desafio específico: sua direção de chegada aponta para o Vazio Local, uma região de baixa densidade sem fontes ativas conhecidas. Análises anteriores usando retropropagação 1D ou estimativas simples de deflexão sugerem que a partícula não se origina de galáxias ativas conhecidas, levando a hipóteses envolvendo física exótica (ex: violação da invariância de Lorentz, matéria escura superpesada) ou fontes transientes. Um método rigoroso e baseado em dados é necessário para mapear o volume do Universo consistente com tais eventos extremos, enquanto se contabilizam efeitos de propagação complexos, deflexões magnéticas e incertezas de reconstrução.

Metodologia
Os autores introduzem um framework de inferência baseada em simulação utilizando Computação Bayesiana Aproximada (ABC) para restringir as origens de UHECRs individuais. O método integra modelagem de propagação 3D realista com estimativa de parâmetros Bayesianos, evitando a necessidade de definir explicitamente uma função de verossimilhança (likelihood).

• Modelagem de Propagação: O framework utiliza o CRPropa 3 para simular a propagação de UHECRs através do espaço 3D. Ele inclui todas as interações relevantes: produção de pione-foto, fotodesintegração, produção de par-elétron, decaimento nuclear e perdas adiabáticas.
• Campos Magnéticos:
  • Campo Magnético Extragaláctico (EGMF): Modelado como um campo aleatório Gaussiano com um espectro de turbulência Kolmogorov em uma grade de 25 kpc. Os parâmetros incluem a intensidade do campo raiz-quadrado médio ($B_{rms}$) e o comprimento de coerência ($L_c$), atribuídos a priors log-uniformes.
  • Campo Magnético Galáctico (GMF): Modelado usando o modelo base UF23 de melhor ajuste para o campo coerente e componentes sintonizados por Planck JF12 para os campos turbulentos.
• Espaço de Parâmetros: A inferência visa seis parâmetros livres: posição da fonte (longitude galáctica $l$, latitude $b$ e distância $D_{src}$), energia da fonte ($E_{src}$) e propriedades do EGMF ($B_{rms}$, $L_c$).
  • Composição da Fonte: Assume-se que a partícula é um núcleo de ferro na fonte para facilitar a comparação com estudos anteriores e explorar origens além do Vazio Local (exigindo grandes deflexões).
  • Priors: $E_{src}$ segue um espectro de lei de potência ($E^{-1}$). As distâncias das fontes são amostradas uniformemente dentro de um volume esférico até $D_{max}$ (12 Mpc para energia nominal, 15 Mpc para baixa energia). O prior da direção da fonte é uma distribuição von Mises-Fisher centrada na direção retropropagada de um núcleo de ferro, contabilizando as deflexões esperadas do GMF e EGMF.
• Processo de Inferência (ABC):
  1. Os parâmetros são amostrados dos priors.
  2. $10^6$ partículas são emitidas isotropicamente a partir da localização da fonte amostrada e propagadas até a Terra.
  3. Os eventos simulados são comparados com os dados observados da Amaterasu (direção de chegada e energia reconstruída) usando uma métrica de distância.
  4. Conjuntos de parâmetros são aceitos se o evento simulado cair dentro de $3\sigma$ da energia e direção observadas.
  5. Conjuntos aceitos são ponderados com base na verossimilhança da correspondência, gerando distribuições posteriores.
  6. Dois cenários de energia são analisados: um caso nominal ($E_{det} = 244$ EeV) e um limite sistemático inferior ($E_{det} = 168$ EeV).

Resultos Principais
Aplicando este framework à partícula Amaterasu, obtêm-se os seguintes achados:

• Candidatos à Fonte: As distribuições posteriores revelam um conjunto mais amplo de candidatos a fontes próximas do que encontrado em análises anteriores. Embora o Vazio Local permaneça uma região de interesse, os resultados não excluem fontes dentro do Grupo Local ou galáxias próximas.
• Dependência de Massa: Os eventos aceitos são dominados por núcleos pesados (número de massa $A > 28$). Para o caso de energia nominal, 77,9% dos eventos aceitos correspondem a composições pesadas, comparado a 16,2% para médias e 5,9% para leves.
• Restrições de Distância:
  • Para a energia nominal ($244$ EeV), a distância de fonte mais provável é $\sim 3$ Mpc. Um pico secundário aparece entre 10–12 Mpc para núcleos pesados.
  • Para o caso de energia inferior ($168$ EeV), a distância mais provável desloca-se para $\sim 4$ Mpc para massas leves/médias, com uma cauda mais longa para núcleos pesados.
  • A direção de chegada atua como o critério de seleção mais rigoroso, limitando o horizonte de distância efetivo apesar das grandes incertezas de energia.
• Análise de Deflexão: O estudo quantifica que o Campo Magnético Galáctico (GMF) domina a deflexão para massas leves e intermediárias, enquanto o Campo Magnético Extragaláctico (EGMF) contribui significativamente apenas para partículas pesadas em maiores distâncias ou menores energias.
• Rigidez: A rigidez preferida da fonte é encontrada como $R \approx 10^{19.3}$ V para a energia nominal e $R \approx 10^{18.85}$ V para o caso de baixa energia.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer um framework fundamental para "análises baseadas em simulação de raios cósmicos nas suas energias mais elevadas". Sua principal contribuição é a capacidade de traduzir observações individuais de UHECR em restrições de fonte diretamente interpretáveis ao:

1. Restringir conjuntamente energia e direção de chegada, incorporando naturalmente suas correlações e incertezas de reconstrução.
2. Marginalizar sobre incertezas em campos magnéticos, composição da fonte e erros de reconstrução para produzir distribuições posteriores 3D de possíveis localizações de fontes.
3. Desafiar a exclusividade do "Vazio Local": Ao demonstrar que modelos de propagação padrão com núcleos pesados podem produzir resultados consistentes para fontes fora do Vazio Local, os autores sugerem que explicações de física exótica podem não ser estritamente necessárias, embora não as descartem.

Os autores permanecem modestos quanto ao escopo, observando que sua implementação atual é limitada por restrições computacionais (ex: a escolha de um modelo de GMF específico e uma composição de fonte fixa de ferro) e que trabalhos futuros buscarão incluir uma gama mais ampla de modelos de GMF e tratar o tipo de partícula como um parâmetro livre.