An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources

A new analysis of the data set from the Pierre Auger Observatory provides evidence for anisotropy in the arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays on an intermediate angular scale, which is indicative of excess arrivals from strong, nearby sources. The data consist of 5514 events above with zenith angles up to 80° recorded before 2017 April 30. Sky models have been created for two distinct populations of extragalactic gamma-ray emitters: active galactic nuclei from the second catalog of hard Fermi-LAT sources (2FHL) and starburst galaxies from a sample that was examined with Fermi-LAT. Flux-limited samples, which include all types of galaxies from the Swift-BAT and 2MASS surveys, have been investigated for comparison. The sky model of cosmic-ray density constructed using each catalog has two free parameters, the fraction of events correlating with astrophysical objects, and an angular scale characterizing the clustering of cosmic rays around extragalactic sources. A maximum-likelihood ratio test is used to evaluate the best values of these parameters and to quantify the strength of each model by contrast with isotropy. It is found that the starburst model fits the data better than the hypothesis of isotropy with a statistical significance of 4.0σ, the highest value of the test statistic being for energies above . The three alternative models are favored against isotropy with 2.7σ–3.2σ significance. The origin of the indicated deviation from isotropy is examined and prospects for more sensitive future studies are discussed.

T. Hebbeker | M. Weber | G. R. Snow | A. M. Badescu | H. Gemmeke | R. Ulrich | A. F. Grillo | D. Harari | M. Stolpovskiy | J. J. Beatty | S. Buitink | H. Falcke | J. R. Horandel | O. Scholten | J. Biteau | A. Schulz | I. Brancus | M. Erdmann | I. De Mitri | E. Kemp | C. O. Escobar | J. Pallotta | B. R. Dawson | M. Wirtz | D. Stanca | F. Contreras | P. Heimann | R. Halliday | P. Abreu | S. Andringa | J. Chudoba | J. Ridky | V. Verzi | D. Zavrtanik | D. Lo Presti | R. Engel | M. E. Bertaina | F. Guarino | Q. Dorosti | K. Daumiller | V. de Souza | A. Haungs | D. Heck | T. Huege | P. G. Isar | K. Link | H. J. Mathes | C. Morello | T. Pierog | A. Saftoiu | H. Schieler | F. G. Schroder | A. Weindl | B. Mitrica | P. Ristori | P. Horvath | G. C. Hill | P. Stassi | M. Pech | R. Krause | C. Aramo | M. Kleifges | L. Caccianiga | L. Nellen | F. Sarazin | M. Mallamaci | G. Morlino | A. Segreto | L. Miramonti | The Pierre Auger Collaboration A. Aab | M. Aglietta | I.F.M. Albuquerque | I. Allekotte | A. Almela | J. Alvarez Castillo | J. Alvarez-Muniz | L. Anchordoqui | H. Asorey | P. Assis | G. Avila | X. Bertou | C. Bleve | M. Boh'avcov'a | C. Bonifazi | N. Borodai | J. Brack | A. Bueno | M. Buscemi | K. S. Caballero-Mora | R. Caruso | A. Castellina | G. Cataldi | L. Cazon | A. G. Chavez | R. Colalillo | L. Collica | M. R. Coluccia | R. Conceiccao | M. J. Cooper | S. Coutu | C. E. Covault | B. Daniel | S. Dasso | J.R.T. de Mello Neto | O. Deligny | M. L. D'iaz Castro | F. Diogo | C. Dobrigkeit | J. Ebr | M. Erfani | J. Espadanal | A. Etchegoyen | A. C. Fauth | N. Fazzini | J. M. Figueira | A. Filipvcivc | R. Gaior | B. Garc'ia | P. L. Ghia | U. Giaccari | M. Giller | C. Glaser | M. G'omez Berisso | P. F. G'omez Vitale | A. Gorgi | T. D. Grubb | G. P. Guedes | T. A. Harrison | A. E. Herve | C. Hojvat | E. Holt | P. Homola | A. Insolia | I. Jandt | M. Josebachuili | A. Kaapa | O. Kambeitz | B. Keilhauer | R. M. Kieckhafer | H. O. Klages | J. Kleinfeller | N. Krohm | D. Kuempel | N. Kunka | D. LaHurd | M. Lauscher | A. Letessier-Selvon | I. Lhenry-Yvon | R. L'opez | A. Lucero | M. Malacari | D. Mandat | P. Mantsch | A. G. Mariazzi | I. C. Marics | G. Marsella | D. Martello | H. Martinez | J. J. Mas'ias Meza | S. Mathys | E. Mayotte | P. O. Mazur | C. Medina | G. Medina-Tanco | D. Melo | A. Menshikov | M. I. Micheletti | L. Middendorf | S. Mollerach | M. A. Muller | G. Muller | R. Mussa | M. Niechciol | L. Niemietz | T. Niggemann | D. Nosek | L. Novzka | M. Palatka | P. Papenbreer | G. Parente | A. Parra | R. Pelayo | C. Peters | S. Petrera | V. Pirronello | M. Plum | C. Porowski | P. Privitera | M. Prouza | S. Querchfeld | S. Quinn | J. Rautenberg | D. Ravignani | M. Risse | W. Rodrigues de Carvalho | G. Rodriguez Fernandez | J. Rodriguez Rojo | E. Roulet | A. C. Rovero | S. J. Saffi | F. Salamida | G. Salina | F. S'anchez | P. Sanchez-Lucas | E. M. Santos | R. Sarmento | R. Sato | V. Scherini | S. J. Sciutto | A. Shadkam | R. vSm'ida | R. Squartini | S. Stanivc | J. Stasielak | T. Suomijarvi | A. D. Supanitsky | Z. Szadkowski | O. A. Taborda | V. M. Theodoro | C. J. Todero Peixoto | L. Tomankova | G. Torralba Elipe | P. Travnicek | M. Urban | J. F. Vald'es Galicia | I. Valino | L. Valore | G. van Aar | A. M. van den Berg | A. van Vliet | E. Varela | B. Vargas C'ardenas | R. A. V'azquez | D. Veberivc | J. Vicha | L. Villasenor | O. Wainberg | D. Walz | D. Wittkowski | B. Wundheiler | E. Zas | M. Zavrtanik | M. Ziolkowski | P. L. Biermann | T. Bretz | G. Matthiae | M. Pimenta | R. C. Shellard | M. Roth | F. Fenu | J. C. D'Olivo | A. A. Watson | P. Buchholz | R. W. Clay | J. Pena-Rodriguez | A. Gherghel-Lascu | M. Giammarchi | M. A. Leigui de Oliveira | H. Wahlberg | V. Rizi | V. Novotny | M. Unger | J. Poh | A. Coleman | D. Mockler | L. Wiencke | S. Buitink | H. Falcke | L. Yang | J. Beatty | G. Hill | M. Plum | P. Sommers | S. Coutu | J. Blazek | P. Buchholz | G. Cataldi | J. Chudoba | M. Dova | M. Ziolkowski | G. Morlino | R. Kieckhafer | M. Perlin | C. Glaser | E. Quel | P. Abreu | G. Matthiae | M. Pimenta | P. Privitera | J. Řídký | R. Shellard | D. Zavrtanik | M. Erdmann | T. Hebbeker | G. Snow | I. Naranjo | A. Awad | R. Ulrich | H. Wahlberg | S. Jong | V. Rizi | P. Bodegom | G. Salina | C. Hojvat | A. Letessier-Selvon | T. Paul | C. Timmermans | B. Zimmermann | P. Mantsch | L. Anchordoqui | M. Roth | J. Johnsen | M. Urban | R. Krause | D. Kuempel | D. Walz | A. Grillo | P. Trávníček | R. Clay | P. Homola | R. Mussa | A. Almela | A. Cerutti | A. Etchegoyen | B. Garc'ia | M. G. Berisso | M. Hampel | D. Harari | D. Melo | M. Platino | A. Supanitsky | A. Badescu | H. Mathes | S. Dasso | V. Novotny | P. Horváth | M. Giammarchi | L. Miramonti | J. Chinellato | T. Bretz | H. Asorey | A. Haungs | T. Huege | M. Kleifges | F. Schroder | P. Heimann | I. Mitri | H. Gemmeke | L. Villaseñor | G. Muller | L. Wiencke | G. Consolati | S. Muller | S. Petrera | P. Stassi | J. Cronin | G. Farrar | C. Covault | E. Kemp | L. Nellen | J. Rautenberg | A. Zepeda | M. Stolpovskiy | C. Escobar | G. Guedes | F. S'anchez | K. Becker | K. Kampert | R. Lang | M. Unger | D. Presti | F. Barbato | K. Caballero-Mora | S. Andringa | V. Verzi | G. Golup | R. Gaior | F. Salamida | M. Weber | A. Blanco | L. Lopes | R. Engel | T. Pierog | O. Scholten | J. Juryšek | V. Pirronello | M. Zavrtanik | I. Allekotte | J. Biteau | V. Souza | J. Ebr | I. Albuquerque | D. Mandát | C. Medina | C. Morello | D. Nosek | M. Palatka | M. Pech | M. Prouza | P. Ristori | E. Santos | A. Segreto | S. Vorobiov | J. Poh | R. Sarmento | F. Strafella | R. Prado | R. Pelayo | H. Salazar | L. Tomankova | C. Aramo | M. Giller | D. Heck | P. Biermann | M. Oliveira | A. Balaceanu | A. Gherghel-Lascu | M. Niculescu-Oglinzanu | A. Saftoiu | D. Stanca | A. Bueno | A. Fauth | B. Dawson | M. Schauer | F. Zuccarello | B. Mitrica | J. Pallotta | P. Sanchez-Lucas | J. Horandel | P. Assis | W. Carvalho | H. Schieler | A. Weindl | M. Mostaf'a | F. Oikonomou | T. P. A. C. A. Aab | M. Aglietta | G. A. Anastasi | B. Andrada | N. Arsene | G. Avila | R. Luz | J. Bellido | M. Bertaina | X. Bertou | S. Blaess | C. Bleve | M. Boh'avcov'a | C. Bonifazi | N. Borodai | A. Botti | J. Brack | A. Bridgeman | F. Briechle | M. Buscemi | L. Caccianiga | A. Cancio | F. Canfora | R. Caruso | A. Castellina | F. Catalani | L. Cazon | R. Colalillo | A. Coleman | L. Collica | M. Coluccia | R. Conceiccao | F. Contreras | M. Cooper | S. D'Amico | B. Daniel | K. Daumiller | G. D. Mauro | J. D. Oliveira | J. Debatin | O. Deligny | M. L. D. Castro | F. Diogo | C. Dobrigkeit | J. D'Olivo | Q. Dorosti | R. C. Anjos | J. Farmer | N. Fazzini | F. Fenu | B. Fick | A. Filipvcivc | M. Freire | T. Fujii | A. Fuster | P. Ghia | U. Giaccari | D. Glas | P. F. G. Vitale | N. Gonz'alez | A. Gorgi | F. Guarino | R. Halliday | P. Hansen | T. Harrison | E. Holt | M. Hrabovsk'y | J. Hulsman | A. Insolia | I. Jandt | M. Josebachuili | A. Kaapa | O. Kambeitz | B. Keilhauer | N. Kemmerich | J. Kemp | H. Klages | J. Kleinfeller | G. K. Mezek | N. Kunka | B. Lago | D. LaHurd | R. Legumina | I. Lhenry-Yvon | R. L'opez | A. L. Casado | R. Lorek | Q. Luce | A. Lucero | M. Malacari | M. Mallamaci | A. Mariazzi | I. Marics | G. Marsella | D. Martello | H. Martinez | S. Mathys | J. Matthews | E. Mayotte | P. Mazur | G. Medina-Tanco | A. Menshikov | K. Merenda | S. Michal | M. Micheletti | L. Middendorf | D. Mockler | S. Mollerach | F. Montanet | A. Muller | M. Muller | P. Nguyen | M. Niechciol | L. Niemietz | D. Nitz | L. Novzka | L. N'unez | A. Olinto | P. Papenbreer | G. Parente | A. Parra | F. Pedreira | J. Pkekala | J. Peña-Rodríguez | L. Pereira | L. Perrone | C. Peters | J. Phuntsok | C. Porowski | S. Querchfeld | S. Quinn | R. Ramos-Pollán | D. Ravignani | F. Riehn | M. Risse | J. Rojo | M. Roncoroni | E. Roulet | A. Rovero | P. Ruehl | S. Saffi | A. Saleh | E. Santos | F. Sarazin | C. Sarmiento-cano | R. Sato | V. Scherini | M. Schimp | D. Schmidt | P. Schov'anek | S. Schroder | J. Schumacher | S. Sciutto | G. Sigl | G. Silli | R. vSm'ida | J. F. Soriano | R. Squartini | S. Stanivc | J. Stasielak | A. Streich | F. Suarez | T. Sudholz | T. Suomijarvi | J. vSup'ik | J. Swain | Z. Szadkowski | O. Taborda | B. Tom'e | M. Trini | I. Valiño | L. Valore | E. Varela | B. C'ardenas | R. V'azquez | D. Veberivc | C. Ventura | I. D. V. Quispe | O. Wainberg | A. Watson | M. Wiede'nski | H. Wilczy'nski | M. Wirtz | D. Wittkowski | B. Wundheiler | E. Zas | Z. Zong | I. Brancus | A. Chavez | M. Erfani | J. Espadanal | F. Gat'e | A. Hervé | N. Krohm | M. Lauscher | K. Link | J. Meza | T. Niggemann | A. Shadkam | S. Sonntag | M. S. Dur'an | A. Taboada | A. Yushkov | J. A. Bellido | C. Berat | J. A. Chinellato | R. M. de Almeida | S. J. de Jong | M. T. Dova | B. Fick | K. H. Kampert | B. L. Lago | F. Montanet | D. Nitz | A. Olinto | T. Paul | L. Perrone | E. J. Quel | H. Salazar | P. Sommers | F. Suarez | J. Swain | C. Timmermans | S. Vorobiov | A. Zepeda | J. de Oliveira | L. Yang | A. Blanco | T. Sudholz | N. Arsene | S. G. Blaess | A. Bridgeman | J. Cronin | G. De Mauro | R. C. dos Anjos | G. Farrar | M. M. Freire | T. Fujii | D. Glas | G. Golup | N. Gonz'alez | M. R. Hampel | P. Hansen | M. Hrabovsk'y | J. A. Johnsen | G. Kukec Mezek | L. Lopes | A. L'opez Casado | O. Mart'inez Bravo | J. Matthews | M. Mostaf'a | S. Muller | P. H. Nguyen | M. Niculescu-Oglinzanu | L. A. N'unez | F. Oikonomou | J. Pkekala | J. Phuntsok | M. Platino | R. R. Prado | A. Saleh | E. Santos | C. Sarmiento-Cano | M. Schauer | D. Schmidt | P. Schov'anek | J. Schumacher | G. Sigl | S. Sonntag | M. Suarez Dur'an | B. Tom'e | M. Trini | P. van Bodegom | H. Wilczy'nski | B. Zimmermann | F. Zuccarello | J. Blazek | F. Catalani | J. Jurysek | R. G. Lang | K. H. Becker | J. Kemp | M. Schimp | F. Strafella | B. Andrada | A. Balaceanu | F. Barbato | R. J. Barreira Luz | A. M. Botti | F. L. Briechle | A. Cancio | F. Canfora | G. Consolati | S. D'Amico | J. Debatin | A. Dundovic | J. Farmer | A. Fuster | F. Gat'e | J. Hulsman | N. Kemmerich | A. Kuotb Awad | R. Legumina | R. Lorek | Q. Luce | K.-D. Merenda | S. Michal | A. L. Muller | I. Naranjo | F. Pedreira | M. Perlin | R. Ramos-Pollan | F. Riehn | M. J. Roncoroni | P. Ruehl | S. Schroder | G. Silli | A. Streich | J. vSup'ik | A. Taboada | C. Ventura | I. D. Vergara Quispe | Z. Zong | A. Yushkov | A. C. Cobos Cerutti | L.A.S. Pereira | A. M. Berg | M. Wiede'nski | J. Alvarez-Muñiz | C. Bérat | A. Schulz | R. M. Almeida | A. Dundović | G. V. Aar | A. V. Vliet | J. Vícha | J. A. Castillo | J. D. M. Neto | O. M. Bravo | C. T. Peixoto | G. T. Elipe | J. F. V. Galicia | G. R. Fernandez | Hernán Asorey | C. Sarmiento-Cano | D. L. Presti | A. Bălăceanu | A. Săftoiu | P. Vitale | P. Buchholz | A. Haungs | M. Bertaina | J. Chinellato | T. Hebbeker | M. Erdmann | B. V. C'ardenas | D. Schmidt

[1]  A. Matteo,et al.  Arrival Directions of Cosmic Rays at Ultra-High Energies , 2018 .

[2]  T. Hebbeker,et al.  Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV , 2017, Science.

[3]  P. G. Isar,et al.  Evidence for a mixed mass composition at the ‘ankle’ in the cosmic-ray spectrum , 2016, 1609.08567.

[4]  M. Erdmann,et al.  The nuclear window to the extragalactic universe , 2016, 1607.01645.

[5]  Gero Muller,et al.  CRPropa 3—a public astrophysical simulation framework for propagating extraterrestrial ultra-high energy particles , 2016, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

[6]  Xiang-Yu Wang,et al.  THE FIRST DETECTION OF GeV EMISSION FROM AN ULTRALUMINOUS INFRARED GALAXY: Arp 220 AS SEEN WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE , 2016, 1603.06355.

[7]  J. Fynbo,et al.  Long-Duration Gamma-Ray Burst Host Galaxies in Emission and Absorption , 2016, 1602.00770.

[8]  S. Nagataki,et al.  Monte Carlo Bayesian search for the plausible source of the Telescope Array hotspot , 2014, 1411.5273.

[9]  J. Tjus,et al.  Cosmic ray transport and anisotropies to high energies , 2015, 1511.04229.

[10]  T. Hebbeker,et al.  Combined fit of spectrum and composition data as measured by the Pierre Auger Observatory , 2016 .

[11]  L. Anchordoqui,et al.  Origin of the ankle in the ultrahigh energy cosmic ray spectrum, and of the extragalactic protons below it , 2015, 1505.02153.

[12]  P. G. Isar,et al.  SEARCHES FOR ANISOTROPIES IN THE ARRIVAL DIRECTIONS OF THE HIGHEST ENERGY COSMIC RAYS DETECTED BY THE PIERRE AUGER OBSERVATORY , 2015 .

[13]  J. Chiang,et al.  2FHL: THE SECOND CATALOG OF HARD FERMI-LAT SOURCES , 2015, 1503.02664.

[14]  P. G. Isar,et al.  Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. II. Composition implications , 2014 .

[15]  Xiang-Yu Wang,et al.  DISCOVERY OF GeV EMISSION FROM THE DIRECTION OF THE LUMINOUS INFRARED GALAXY NGC 2146 , 2014, 1407.3391.

[16]  K. Fang,et al.  IS THE ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC-RAY EXCESS OBSERVED BY THE TELESCOPE ARRAY CORRELATED WITH ICECUBE NEUTRINOS? , 2014, 1404.6237.

[17]  I. H. Park,et al.  INDICATIONS OF INTERMEDIATE-SCALE ANISOTROPY OF COSMIC RAYS WITH ENERGY GREATER THAN 57 EeV IN THE NORTHERN SKY MEASURED WITH THE SURFACE DETECTOR OF THE TELESCOPE ARRAY EXPERIMENT , 2014, 1404.5890.

[18]  K. Bechtol,et al.  DISCOVERY OF GeV EMISSION FROM THE CIRCINUS GALAXY WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE , 2013, 1310.1913.

[19]  H. Courtois,et al.  COSMICFLOWS-2: THE DATA , 2013, 1307.7213.

[20]  G. Farrar,et al.  THE GALACTIC MAGNETIC FIELD , 2012, 1210.7820.

[21]  J. Chiang,et al.  GeV OBSERVATIONS OF STAR-FORMING GALAXIES WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE , 2012, The Astrophysical Journal.

[22]  A. F. Grillo,et al.  SimProp: a simulation code for ultra high energy cosmic ray propagation , 2012, 1204.2970.

[23]  Emilio Falco,et al.  THE 2MASS REDSHIFT SURVEY—DESCRIPTION AND DATA RELEASE , 2011, 1108.0669.

[24]  K. Newton-McGee,et al.  DERIVING THE GLOBAL STRUCTURE OF THE GALACTIC MAGNETIC FIELD FROM FARADAY ROTATION MEASURES OF EXTRAGALACTIC SOURCES , 2011, 1103.0814.

[25]  S. Fliescher,et al.  Update on the correlation of the highest energy cosmic rays with nearby extragalactic matter , 2010, 1009.1855.

[26]  M. C. Cooper,et al.  Extragalactic background light inferred from AEGIS galaxy-SED-type fractions , 2010, 1103.4534.

[27]  S. Razzaque,et al.  ACCELERATION OF ULTRA-HIGH-ENERGY COSMIC RAYS IN THE COLLIDING SHELLS OF BLAZARS AND GAMMA-RAY BURSTS: CONSTRAINTS FROM THE FERMI GAMMA-RAY SPACE TELESCOPE , 2010, 1004.4249.

[28]  N. T. Thao,et al.  Trigger and aperture of the surface detector array of the pierre auger observatory , 2010, 1111.6764.

[29]  A. L. Sampson,et al.  The trigger and DAQ system of the surface detector array of the telescope array experiment , 2012, 1201.4964.

[30]  O. Lahav,et al.  The dipole anisotropy of the 2 Micron All-Sky Redshift Survey , 2005, astro-ph/0507166.

[31]  L. Anchordoqui,et al.  Heavy nuclei at the end of the cosmic ray spectrum , 1999, astro-ph/9903145.

[32]  P. G. Isar,et al.  The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory , 2015, 1502.01323.

[33]  L. Anchordoqui,et al.  Centaurus A as a source of extragalactic cosmic rays with arrival energies well beyond the GZK cutoff , 1995, gr-qc/9511031.

[34]  A. Hillas The Origin of Ultra-High-Energy Cosmic Rays , 1984 .

[35]  K. Greisen End to the cosmic ray spectrum , 1966 .

[36]  R. Fisher Dispersion on a sphere , 1953, Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences.

[37]  S. S. Wilks The Large-Sample Distribution of the Likelihood Ratio for Testing Composite Hypotheses , 1938 .