[論文レビュー] Cosmic ray acceleration in subluminal and superluminal relativistic shock environments

A. Meli, J. K. Becker+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、Lorentz因子Γ=1000に達するシミュレーションを用いて、AGNジェット内の準光速衝撃波（Γ∼10–30）と、非常に相対論的で高速なGRB衝撃波（Γ>100）の両方を比較し、相対論的衝撃波における宇宙線加速を調査している。その結果、AGNジェット内の準光速衝撃波は、観測されたUHECR（10²¹ eV）のエネルギー分布E⁻²と整合するスペクトルを生成するが、非常に相対論的で高速なGRB衝撃波（Γ>100）はスペクトルが平坦になりすぎており（E⁻¹.⁵）、主なUHECR源として成立しない。一方、GRB衝撃波はニュートリノ放出源としての可能性を有しており、これはUHECR源としての不適切さとは別に観測可能な高エネルギー放射の兆候である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The flux of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) at $E>10^{18.5}$ eV is believed to arise in plasma shock environments in extragalactic sources. In this paper, we present a systematic study of particle acceleration by relativistic shocks, in particular concerning the dependence on bulk Lorentz factor and the angle between the magnetic field and the shockflow. For the first time, simulation results of super- and subluminal shocks with boost factors up to $\Gamma=1000$ are investigated and compared systematically. While superluminal shocks are shown to be inefficient at the highest energies ($E>10^{18.5}$ eV), subluminal shocks may provide particles up to $10^{21}$ eV, limited only by the Hillas-criterion. For the subluminal case, we find that mildly relativistic shocks, thought to occur in jets of Active Galactic Nuclei (AGN, $\Gamma\sim 10-30$) yield energy spectra of $dN/dE\sim E^{-2}$. Highly relativistic shocks expected in Gamma Ray Bursts (GRBs, $100<\Gamma<1000$), on the other hand, have spectra as flat as $E^{-1.5}$. The model results are compared to the measured flux of Cosmic Rays at the highest energies and it is shown that, while AGN spectra are well-suited, GRB spectra are too flat to explain the observed flux. The first evidence of a correlation between the Cosmic Ray flux above $5.7\cdot 10^{10}$ GeV and the distribution of AGN by Auger are explained by the model. Neutrino production is expected in GRBs, either in mildly or highly relativistic shocks and although these sources are excluded as the principle origin of UHECRs, superluminal shocks in particular may be observable via neutrino and photon fluxes, rather than as protons.

研究の動機と目的

• 異なる衝撃タイプ（準光速対超光速）およびLorentz因子の範囲で、相対論的衝撃波における宇宙線加速の効率を理解すること。
• 衝撃波の流れ方向に対する磁場の向きが、粒子加速およびスペクトル形状に与える影響を調査すること。
• 準光速または超光速衝撃波が、Hillas基準に従って10²¹ eVまでUHECRを生成できるかどうかを評価すること。
• AGNおよびGRBの衝撃環境からのシミュレートされた粒子スペクトルを、観測されたUHECRフラックスと比較し、妥当な源を特定すること。
• 特にGRBにおいて、UHECR源として不適切な場合でも、高エネルギーニュートリノの生成可能性を検討すること。

提案手法

• Lorentz因子Γが1000に達する相対論的衝撃波の大型粒子-場（PIC）シミュレーションを実施する。
• 磁場と衝撃波の流れ方向のなす角度を系統的に変化させ、粒子加速に与える影響を評価する。
• 準光速および超光速衝撃波の両領域において、粒子エネルギー分布dN/dEの微分スペクトルを分析する。
• Hillas基準を適用し、各衝撃環境で達成可能な最大粒子エネルギーを特定する。
• 10¹⁸.⁵ eV以上のエネルギー領域における、AGN（Γ∼10–30）およびGRB（Γ>100）の衝撃モデルからのシミュレートスペクトルと、観測されたUHECRフラックスを比較する。
• GRB衝撃波からの期待されるニュートリノフラックスを推定し、UHECR源として不適切であるにもかかわらず、高エネルギー放射源としての観測可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Γが1000に達する準光速および超光速の相対論的衝撃波で、粒子が加速可能な最大エネルギーは何か？
• RQ2 粒子加速のスペクトル形状は、衝撃波のLorentz因子および磁場の向きにどのように依存するか？
• RQ3 AGNジェット内の準光速衝撃波が、観測されたE⁻²のパワーロー法則分布に一致するUHECRスペクトルを生成できるか？
• RQ4 非常に相対論的で高速なGRB衝撃波（Γ>100）からのスペクトルは、観測されたUHECRフラックスと整合するか、それとも平坦すぎるか？
• RQ5 超光速または非常に相対論的で高速な衝撃波は、UHECRの主な源でなくても、高エネルギーニュートリノ源として機能できるか？

主な発見

• AGNジェットに想定されるLorentz因子Γ∼10–30の準光速衝撃波は、観測されたUHECRフラックスと整合する粒子エネルギースペクトルを生成し、dN/dE ∼ E⁻²のスケーリングを示す。
• 非常に相対論的で高速なGRB衝撃波（Γ>100）は、dN/dE ∼ E⁻¹.⁵の平坦なスペクトルを生成するが、これは観測されたUHECRフラックスと整合せず、GRBが主なUHECR源として成立しないことを示唆する。
• 準光速衝撃波は、Hillas基準によって制限されるが、10²¹ eVまでの粒子加速が可能であり、UHECR源としての妥当性を示している。
• 超光速衝撃波は、10¹⁸.⁵ eVを超えるエネルギーへの粒子加速が非効率であるため、UHECR源として不適切である。
• GRB衝撃波はUHECR源として不適切であるが、顕著なニュートリノフラックスを生成すると予測されており、これはUHECR源としての不適切さとは別に、ニュートリノおよび光子放射として観測可能な高エネルギー放射源である可能性を示唆している。
• Pierre Auger観測所が観測した、5.7×10¹⁰ GeV以上のUHECRフラックスとAGNの空間分布との相関に関する初の証拠は、モデルがAGNに類似したスペクトルを予測するという予測によって説明できる。