[論文レビュー] Anisotropic transport and early dynamical impact of Cosmic Rays around Supernova remnants

Philipp Girichidis, Thorsten Naab+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁気流体力学コードFLASHに宇宙線（CR）を新しく実装し、エネルギーに依存する非等方的拡散（磁場に沿っておよび垂直に）、運搬、断熱的損失を伴う別個の流体としてCRをモデル化する。その結果、CRは磁場に対して主に垂直方向に、最大で熱的値の100倍に達する強い非等方的加速を引き起こすことが判明。特に1 GeV付近にピークを持つスペクトルが、約150 kyrの期間にわたり80 pcスケールで、累乗法則スペクトルよりも顕著な力学的影響を及ぼす。

ABSTRACT

We present a novel implementation of cosmic rays (CR) in the magneto-hydrodynamic code FLASH. CRs are described as separate fluids with different energies. CR advection, energy dependent anisotropic diffusion with respect to the magnetic field and adiabatic losses to follow the evolution of spectra are taken into account. We present a first study of the transport and immediate (~150 kyr) dynamical impact of CRs on the turbulent magnetised interstellar medium around supernova remnants on scales up to 80 pc. CR diffusion quickly leads to an efficient acceleration of low-density gas (mainly perpendicular to the magnetic field) with accelerations up to two orders of magnitude above the thermal values. Peaked (at 1 GeV) CR injection spectra have a stronger impact on the dynamics than power-law spectra. For realistic magnetic field configurations low energy CRs (with smaller diffusion coefficients) distribute anisotropically with large spatial variations of a factor of ten and more. Adiabatic losses can change the local spectra perceptibly but do not have an integral effect on the dynamics at the spatial and temporal scales considered here. We discuss the potential global impact of CRs and anisotropic transport on the dynamical structure of the ISM and also detail the limitations of the model.

研究の動機と目的

• 磁気流体力学（MHD）コードに物理的に整合した宇宙線（CR）の別個の流体としてのモデルを構築・実装し、エネルギーに依存する輸送を考慮する。
• 超新星残骸（SNR）周囲の乱流的で磁場を持つ銀河間媒体（ISM）において、約150 kyr以内の初期段階におけるCRの力学的影響を調査する。
• CRの拡散の非等方性、スペクトル形状（ピーク型対累乗法則型）、断熱的損失がCR圧力勾配およびガス加速に与える影響を評価する。
• スペクトル進化におけるCRエネルギー輸送の数値的安定性、特に断熱的損失の可逆性と全エネルギー保存の精度を評価する。

提案手法

• エネルギーに依存する輸送を有する別個の流体としてCRを扱い、スペクトル進化を解像するための複数エネルギー帯域（multi-bin）エネルギー分布を用いる。
• 流体方程式によるCR運搬をモデル化し、磁場に沿っておよび垂直に異なる係数を持つ非等方的拡散を導入し、粒子エネルギーに依存させる。
• エネルギー帯間のフラックスに基づく手法を用いて断熱的エネルギー損失を組み込み、機械精度にまでエネルギー保存を確保する。
• 自己一貫的な磁場進化を伴う有限体積MHDソルバ（FLASH）を用い、乱流的ISMにおけるSNR拡張とCRフィードバックをシミュレートする。
• CRスペクトルに区分的定数関数を適用し、圧縮流れ下での断熱的損失の可逆性をテストする。
• 単一セルのSN爆発および正弦波的圧縮を用いた制御された数値テストを実施し、エネルギー保存およびスペクトル進化の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場に沿っては強く、垂直方向には弱い非等方的CR拡散は、CRと周囲のISMとの力学的結合にどのように影響するか？
• RQ2 超新星爆発後約150 kyrの初期段階において、1 GeVにピークを持つスペクトルと累乗法則スペクトルのどちらがガス加速により顕著な力学的影響を及ぼすか？
• RQ3 断熱的損失は、80 pcスケールの空間的・時間的スケールで、局所的なCRスペクトルをどの程度変化させ、ISMへのエネルギー転送に影響を及ぼすか？
• RQ4 スペクトル解像度およびエネルギーフラックスの可逆性における数値的制限は、CRエネルギー輸送およびスペクトル進化の精度にどのように影響するか？
• RQ5 CR圧力勾配は、SNR衝撃波付近の低密度ガス領域で、初期段階に非熱的加速を引き起こす役割を果たすか？

主な発見

• 非等方的CR拡散により、磁場線に垂直方向に、熱的値の最大で100倍（2桁）のガス加速が発生する。
• 1 GeVにピークを持つCR注入スペクトルは、累乗法則スペクトルよりも顕著に強い力学的影響をISMに及ぼす。これは圧力勾配の増大に起因する。
• 低エネルギーCRは、拡散係数が小さいため、空間的分布が顕著に非等方的となり、10倍以上の変動を示す。
• 断熱的損失は局所的なCRスペクトルに顕著な影響を及ぼすが、本研究の空間的・時間的スケールでは、ISM全体へのCRの力学的影響に顕著な変化をもたらさない。
• 数値的実装は全CRエネルギーを機械精度に保存するが、圧縮流れ速度が約10⁻¹² s⁻¹を超えると、断熱的損失の可逆性が崩れる。これはSNR衝撃波で観測される物理的範囲に近い。
• 単一セルSN注入シミュレーションでは、内部衝撃波の解像がなければ、スペクトルの硬さ（スペクトル硬化）は発生しない。これは、正確なCRスペクトル進化のためには衝撃構造の解像が不可欠であることを示唆する。