[論文レビュー] Cosmic ray acceleration at relativistic shocks, shear layers, .

M. Ostrowski|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は相対論的衝撃波における宇宙線加速を再評価し、一次Fermi加速が従来仮定されてきたように、指数 ≈2.2 の普遍的なパワーレイトスペクトルを生成しないことを示している。代わりに、衝撃波ローレンツ因子の増加に伴い急峻になる限界的な高エネルギー尾部を持つ圧縮注入成分を生成する。一方、乱流を伴う相対論的プラズマにおける二次Fermi過程は、超高エネルギー電子（1–1000 TeV）の加速において支配的である可能性がある。

ABSTRACT

A review of theoretical results on cosmic ray first-order Fermi acceleration at relativistic shock waves is presented, with recent results substantially changing the existing knowledge on these processes. In particular one can not expect such shocks to form particle distributions extending to very high energies. Instead, distributions with the shock compressed injected component followed by a more or less extended high energy tail are usually created. Increasing the shock Lorentz factor leads to steepening of the energetic tail. An observational check of real electron spectra in the Cyg A hot spots provides results clearly deviating from the standard expectations. The spectrum consist of a very flat low energy part (sigma ~1.5)up to electron energies ~1 GeV, and a much steeper part (sigma > 3)at higher energies. We conclude with remarks on the Fermi second-order processes acting in relativistic plasmas, possibly the main accelerating agent for very high energy cosmic rays.

研究の動機と目的

• 最近のシミュレーション結果を用いて、相対論的衝撃波における一次Fermi加速の理論的枠組みを再評価すること。
• 長年にわたり広く受け入れられてきた、相対論的衝撃波が普遍的な宇宙線スペクトル（指数 ≈2.2）を生成するという仮定に疑問を呈すること。
• 乱流を伴う相対論的プラズマにおける二次Fermi過程の役割を、代替加速機構として調査すること。
• これらの発見が、AGN、ガンマ線バースト、および電波リブスなどの天体的源における高エネルギー粒子生成に与える影響を評価すること。
• 特に、標準的予測から逸脱する点を示す、サイクロプスAのホットスポットにおける観測電子スペクトルと理論的モデルの整合性をとること。

提案手法

• 相対論的Fokker-Planck方程式にピッチ角拡散を組み合わせ、相対論的衝撃波における粒子輸送と加速をモデル化する。
• 衝撃波圧縮比Rとローレンツ因子Γを用いてスペクトル指数を決定し、普遍的指数σ ≈ 2.2の代わりに、衝撃条件に依存する可変な指数を導入する。
• 速度勾配と平均自由行程に関連する∆Uを用いて、せん断層における粒子エネルギー増加を二次Fermi過程で分析し、加速は(∆U/c)²に比例するとする。
• 電子の自己放射損失と陽子の脱出時間に基づいて、加速 timescale とエネルギーカットオフを推定する。
• シミュレートされたスペクトルとサイクロプスAホットスポットにおける観測電子スペクトルを比較し、モデルの妥当性を検証する。
• 第二世代Fermi加速と粘性加速の相対的効率を、(λₙ/d · U/V)²の比を用いて評価し、乱流領域では第二世代Fermi過程が支配的であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的衝撃波における一次Fermi加速は、従来仮定されてきたように、指数 ≈2.2 の普遍的なパワーレイトスペクトルを生成するのか？
• RQ2 衝撃波ローレンツ因子Γは、相対論的衝撃波加速における高エネルギー粒子尾部の形状とスペクトル指数にどのように影響するか？
• RQ3 乱流の振幅と衝撃波の幾何学的形状は、相対論的衝撃波における粒子エネルギースペクトル形成にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 乱流を伴う相対論的プラズマにおける二次Fermi過程は、サイクロプスAホットスポットなどの観測電子スペクトルを説明できるか？
• RQ5 放射損失と加速timescaleを考慮した場合、相対論的ジェットおよび電波リブスにおける二次Fermi加速で達成可能な電子最大エネルギーはどの程度か？

主な発見

• 相対論的衝撃波における一次Fermi加速は、普遍的スペクトル指数 ≈2.2 を生成しない。代わりに、スペクトル指数は変動し、衝撃波ローレンツ因子Γの増加に伴い高エネルギー尾部が急峻になる。
• 得られる粒子スペクトルは、衝撃波圧縮注入成分と、限界的な高エネルギー尾部から構成され、Niemiecらのシミュレーションでは広範囲のパワーレイト分布は観測されない。
• サイクロプスAホットスポットでは、観測された電子スペクトルは、低エネルギー部に平坦な成分（σ ≈ 1.5 まで約1 GeV）と、はるかに急峻な高エネルギー部（σ > 3）を示しており、標準的衝撃モデルとは顕著に逸脱している。
• 乱流を伴う相対論的プラズマにおける二次Fermi過程は、磁場強度と加速timescaleに応じて、1 TeV から 1000 TeV のエネルギーにまで電子を加速できる。
• 1 Gs の磁場では電子の加速timescaleは約10³ s であり、µG の磁場では約10³年まで延び、大規模ジェットおよびリブスにおける観測timescaleと整合的である。
• 平均自由行程とせん断層厚さの比が増加するにつれ、二次Fermi加速が粘性加速よりも相対的に重要になり、乱流環境では二次Fermi過程が優勢になる。