[論文レビュー] Cosmic Ray Acceleration by Magnetic Reconnection Sites

E. M. de Gouveia Dal Pino, G. Kowal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Electrical and Electromagnetic Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大規模な電流シートにおける磁気再結合が、1次フォーム過程を介して宇宙線を加速すると提案している。3次元衝突型MHDシミュレーションにより、乱流が再結合速度を向上させ、加速層の厚さを増すと、粒子のエネルギー増幅が顕著に向上することが示された。主な結果として、テスト粒子は磁気的支配下の環境（ISMやIGMなど）で顕著なエネルギー増幅を示した。

ABSTRACT

Cosmic Ray (CR) acceleration still challenges the researchers. Fast particles may be accelerated in astrophysical environments by a variety of processes. Acceleration in magnetic reconnection sites in particular, has lately attracted the attention of researchers not only for its potential importance in the solar system context, but also in other astrophysical environments, like compact stellar sources, AGNs and GRBs, and even in diffusive media like the ISM and the IGM, especially when the environment is magnetically dominated. In this talk we review this process and also present three-dimensional collisional MHD simulations with the injection of thousands of test particles showing from the evolution of their energy spectrum that they can be efficiently accelerated by reconnection through a first-order Fermi process within large scale magnetic current sheets (especially when local turbulence is present which makes reconnection fast and the acceleration layer thicker).

研究の動機と目的

• 多様な天体物理学的環境における磁気再結合が宇宙線加速に果たす役割を調査すること。
• 大規模な電流シートにおける再結合が、高エネルギー粒子を効率的に加速できるかどうかを特定すること。
• 乱流が再結合速度および加速効率に与える影響を評価すること。
• 現実的な磁気再結合条件の下での粒子エネルギースペクトルの進化をモデル化すること。
• このメカニズムが、ISM や IGM のような磁気的支配下の媒体で現実的に可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 大規模な電流シートにおける磁気再結合を3次元衝突型磁気流体力学（MHD）シミュレーションで実施すること。
• 数千個のテスト粒子を再結合領域に注入し、そのエネルギー変化を追跡すること。
• 再結合地点で1次フォーム加速メカニズムを採用し、粒子が磁気的ショックに類似した構造を繰り返し通過することでエネルギーを獲得することを想定すること。
• 局所的な乱流を導入し、再結合速度の向上と加速層の厚さの増加を再現する。
• 加速効率を定量化するために、粒子エネルギースペクトルの時間的変化を分析すること。
• 主に磁気的支配下の環境（ISM や IGM など）に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な電流シートにおける磁気再結合は、1次フォーム過程を介して効率的に宇宙線を加速できるか？
• RQ2 乱流の存在が再結合速度およびそれに続く粒子加速にどのように影響するか？
• RQ3 乱流を伴う再結合状況における加速層の有効な厚さはどの程度か？
• RQ4 このメカニズムが、ISM や IGM のような磁気的支配下のプラズマにおける宇宙線エネルギー増幅をどの程度説明できるか？
• RQ5 再結合領域内でのテスト粒子のエネルギースペクトルは、時間経過とともにどのように変化するか？

主な発見

• 再結合領域に注入されたテスト粒子は顕著なエネルギー増幅を示し、1次フォーム過程による効率的な加速が確認された。
• 乱流の存在により再結合速度が向上し、加速層の厚さも増加し、粒子のエネルギー増幅が強化された。
• 加速された粒子のエネルギースペクトルは、観測結果と整合するべきべき分布へと進化した。
• このメカニズムは、再結合が速く持続的であると予想される磁気的支配下の環境（ISM や IGM など）でも効果的に機能した。
• シミュレーション結果から、現実の天体物理学的条件下で大規模な電流シートが効果的な宇宙線加速源として機能することが示された。
• 加速効率は再結合層の厚さおよび乱流に起因する再結合速度の向上に強く依存していた。