[論文レビュー] Anomalous Transport and Particle Acceleration at Shocks

P. Duffy, J. G. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 1995

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、衝撃環境における異常な横磁場輸送を調査し、粒子拡산が確率的磁場領域における磁力線のさまよいに支配されることを提案する。粒子の拡散が準拡散から複合拡散へと移行する臨界エネルギー閾値を導出し、拡散的衝撃加速が、磁場のコherー二ティ長 λ < R(U/v)¹/² のときのみ成立することを示し、超新星残光における準垂直衝撃での粒子加速に物理的限界を設定する。

ABSTRACT

The theory of first order Fermi acceleration at shocks assumes that particles diffuse due to scattering off slow-moving magnetic irregularities. However, cosmic rays are closely tied to magnetic field lines, and the transport process, particularly across the direction of the field, is likely to be more complicated. To describe cross field transport we employ recent extensions of the Rechester-Rosenbluth theory in localised stochastic regions of magnetic field. During acceleration at a shock and when the motion along the field is diffusive, there is a transition at a critical energy from \lq\lq sub-diffusive q q\ motion, where the mean square displacement of a particle increases with time as $t^{1/2}$, to compound diffusion, a combined process involving diffusion along a magnetic field which is itself wandering. Requiring this critical energy to be less than the system cut-off in a SNR of radius $R$ places an upper limit on the coherence length, $λ$, of the magnetic field for which diffusive shock acceleration can occur at quasi-perpendicular shocks when field line wandering dominates the effective transport of particles: $λ

研究の動機と目的

• 異常な横磁場輸送が天体的衝撃における粒子加速に与える影響を理解すること。
• 磁力線のさまよいで変化する輸送行動を示す確率的磁場における粒子運動をモデル化すること。
• 準垂直衝撃における拡散的衝撃加速が有効に機能する条件を特定すること。
• 準拡散から複合拡散への移行を示す臨界エネルギー閾値を導出すること。
• 超新星残光における効率的な粒子加速のための許容可能な最大磁場コherー二ティ長を制約すること。

提案手法

• 局所的な確率的磁場領域に Rechester-Rosenbluth 理論を拡張し、横磁場輸送をモデル化する。
• 磁力線自身が拡散的にさまよっている中での粒子運動を分析する。
• 準拡散領域において平均二乗変位が t¹/² のスケーリングを示す。
• 粒子の磁場方向拡散と磁力線のさまよいかいの組み合わせ効果を複合拡散モデルで記述する。
• 半径 R と衝撃速度 U を持つ超新星残光の衝撃にモデルを適用する。
• 準拡散から複合拡散への移行が起こる臨界エネルギーを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁力線のさまよいかいが、衝撃環境における磁場方向の粒子輸送にどのように影響するか？
• RQ2 粒子輸送が準拡散から複合拡散へと移行する臨界エネルギーは何か？
• RQ3 どのような条件下で、準垂直衝撃における拡散的衝撃加速が成立するか？
• RQ4 効率的な粒子加速のための許容可能な最大磁場コherー二ティ長は何か？
• RQ5 衝撃速度と粒子速度は、コherー二ティ長の上限にどのように影響するか？

主な発見

• 準拡散から複合拡散への移行は、系のパラメータによって決定される臨界エネルギーで発生する。
• 準拡散領域において、粒子の平均二乗変位は t¹/² に比例して増加する。
• 拡散的衝撃加速は、磁場コherー二ティ長 λ が R(U/v)¹/² より小さい場合にのみ可能である。
• このコherー二ティ長の制限は、磁力線のさまよいかいが有効な粒子輸送を支配する場合に生じる。
• このモデルは、超新星残光における効率的な粒子加速のための物理的上限を示唆する。
• 準拡散領域における加速率が導出され、高エネルギー宇宙線の起源に影響を与えることが示された。