[論文レビュー] Cosmic Ray Acceleration in Active Galactic Nuclei - On Centaurus A as a possible UHECR Source

Frank Rieger|ArXiv.org|Nov 20, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ケンタウルスAにおける超高エネルギー宇宙線（UHECR）の加速を調査し、陽子が $5\times10^{19}$ eV に加速されるには、標準的な衝撃加速や静電加速に加えて、追加のメカニズムが必要であると提唱している。大規模ジェットにおけるせん断加速は、初期陽子を加速させる有望な候補と特定されており、鉄のような重い核種は直接的にUHECRエネルギーに加速される可能性がある。したがって、Cen A が源である場合、$\sim10^{19}$ eV 以上のエネルギーで宇宙線の組成が重くなることが示唆される。

ABSTRACT

We discuss a representative selection of particle acceleration mechanisms believed to be operating in Active Galactic Nuclei. Starting from direct electrostatic field acceleration in the vicinity of the black hole up to Fermi-type particle acceleration in the jet and beyond, possible efficiency constraints on the energization of ultra-high energy cosmic rays (UHECR) are evaluated. When paradigmatically applied to Cen A, the following results are obtained: (i) Proton acceleration to energies of $E_c = 5 imes 10^{19}$ eV and beyond remains challenging and most likely requires the operation of an additional mechanism capable of boosting energetic seed protons up by a factor of $\sim$ten. It is argued that shear acceleration along the large-scale jet in Cen A could be a promising candidate for this. (ii) Heavier elements, like iron nuclei, are more easily accelerated (by, e.g., shocks or direct electrostatic fields) and may not need additional boosting to reach $E \geq E_c$; (iii) If Cen A indeed proves to be an UHECR source, the cosmic ray composition might thus be expected to become heavier above energies of a few times $10^{19}$ eV.

研究の動機と目的

• 活性銀河核（AGN）、特にケンタウルスAにおける超高エネルギー宇宙線（UHECR）加速の可能性を評価すること。
• ケンタウルスAの現実的な物理的条件下で、静電加速、衝撃加速、せん断加速といったさまざまな粒子加速メカニズムの効率を評価すること。
• ケンタウルスAが近接していることやFR I型の構造的特徴を考慮しても、$>5\times10^{19}$ eV のUHECRを自然に生成できるかどうかを特定すること。
• Cen A がUHECR源であると確認された場合の、宇宙線組成への影響を検討すること。

提案手法

• 回転するブラックホールのユニポールインダクタモデルを用いて、直接的な静電加速を評価し、電圧降下 $\Phi \sim 3\times10^{19}a(m_{\rm BH}/10^8M_\odot)(B_p/10^4\,\mathrm{G})$ ボルトを用いる。
• 曲率放射損失が、ケンタウルスAの現実的なAGN環境における陽子加速の上限を制限することを評価し、最大陽子エネルギーが $<\sim10^{19}$ eV に制限されることを示す。
• 拡散的衝撃加速および内部衝撃モデルを分析し、陽子が $5\times10^{19}$ eV を超えて加速されるために必要なジェット出力 $L_j \sim 10^{44}(E_{\rm max}/10^{19}\,\mathrm{eV})^2 Z^{-2}$ erg/s を導出する。
• 大規模ジェットにおけるせん断加速を検討し、エネルギー増加を $E \sim ZeB(\Delta r)$ でモデル化し、$B \sim 10^{-4}b_j$ G および $\Delta r \sim 1$ kpc を仮定し、磁場の増幅を想定する。
• 磁場エネルギーのフラックスに必要な最小ジェット出力を $L_m \sim r^2 B_\perp^2 u_z /8$ を用いて推定し、予想されるFR I型ジェットの放射出力と比較する。
• 磁場の伸長と折りたたみによる磁場増幅の役割を評価し、$b_j \gtrsim 1$ が可能で、kpcスケールで高い磁場を維持できることを示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケンタウルスAのブラックホール磁気圏における直接的な静電加速は、$E > 5\times10^{19}$ eV の陽子を生成できるか？
• RQ2 ケンタウルスAにおける陽子加速に、曲率放射損失が及える制約は何か？
• RQ3 大規模ジェットにおけるせん断加速は、初期陽子をUHECRエネルギーにまで加速できるか？そのために必要な条件は何か？
• RQ4 鉄のような重い核種が、追加の補助メカニズムなしに直接的に $E > 5\times10^{19}$ eV に加速できるか？
• RQ5 Cen A が主要なUHECR源であるとすれば、$E \gtrsim 10^{19}$ eV における宇宙線の組成は予想されるか？

主な発見

• ケンタウルスAにおける直接的な静電加速で陽子を $E > 5\times10^{19}$ eV に加速することは、電場のスクリーニング、曲率損失、および高い磁場（$B_p \sim 10^4$ G）とブラックホールスピン（$a \sim 1$）を要するため、極めて困難である。
• $5\times10^{19}$ eV を超える陽子加速には、追加のメカニズムが必要であると考えられ、大規模ジェットにおけるせん断加速は、初期陽子を加速させる可能性のある有効な候補である。
• せん断加速は、最大エネルギー $E \sim 10^{20} b_j Z$ eV を達成可能であり、磁場増幅により $b_j \gtrsim 1$ が可能であるため、陽子が $E > 5\times10^{19}$ eV に達する条件が整う。
• 鉄のような重い核種は、衝撃や静電場を介して直接的に $E > 5\times10^{19}$ eV に加速可能であり、追加の補助加速機構は不要である。
• Cen A がUHECR源である場合、$\sim10^{19}$ eV 以上のエネルギー領域で宇宙線の組成が重くなると予想され、より高いエネルギーでは鉄に類似した組成に移行すると考えられる。
• 内部衝撃による陽子加速に必要なジェット出力は、通常のFR I型出力よりも大きいが、磁場 $B$ と速度 $u_z$ の半径依存性により、せん断加速はより低い有効出力で動作可能である。