[論文レビュー] Cosmic Rays, II. Evidence for a magnetic rotator Wolf Rayet star origin

Peter L. Biermann, J. P. Cassinelli|arXiv (Cornell University)|May 6, 1993

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、磁気的回転子と呼ばれるWolf Rayet星が、磁場を有する風における拡산的衝撃加速によって、エネルギーが3 × 10^9 GeVにまで達する宇宙線を加速できることを提案している。ダイナモ理論、電波超新星観測、非熱的電波放射からの制約を用いて、磁場強度が磁場駆動風モデルで予測される値と整合することを示し、こうした星における高エネルギー粒子加速の間接的証拠を提供している。

ABSTRACT

Based on 1) a conjecture about the mean free path for particle scattering in perpendicular shock geometries, and 2) a model for Wolf Rayet star winds, we argue that explosions of Wolf Rayet stars can lead through diffusive particle acceleration to particle energies up to 3 10^9 GeV. As a test we first demonstrate that the magnetic fields implied by this argument are compatible with the dynamo limit applied to the convective interior of the main sequence stars which are predecessors of Wolf Rayet stars; second we show that this implies the same strength of the magnetic fields as is suggested by the magnetically driven wind theory. Third, we use data from radio supernovae to check the spectrum, luminosity and time dependence which suggest that the magnetic fields again have to be as high as suggested by the magnetically driven wind theory. This constitutes evidence for the magnetic field strengths required to accelerate particles to 3 10^9 GeV. Fourth, we demonstrate that within our picture the nonthermal radio emission from OB and Wolf Rayet stars can reproduce the proper radio spectra, time variability and radio luminosities. Fifth, the comparison of Wolf Rayet stars and radio supernovae suggests that electron injection into the acceleration process is a step function of efficiency with the shock speed as the independent parameter.

研究の動機と目的

• 強い磁場を有するWolf Rayet星が高エネルギー宇宙線の源として機能できるかどうかを調査すること。
• その主系列星の前身星におけるダイナモ理論と推定された磁場強度の整合性を検証すること。
• 電波超新星およびOBおよびWolf Rayet星からの非熱的電波放射の観測データを用いて、予測された磁場強度を検証すること。
• 衝撃波速度の関数として電子の注入効率がどのように変化するかを評価すること。
• Wolf Rayet星における磁場構造が、超高エネルギーへの粒子加速を支持しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 粒子散乱の平均自由行程が垂直衝撃幾何における仮定に基づき、拡散的衝撃加速をモデル化する。
• 磁場駆動Wolf Rayet星風のモデルを適用して、粒子加速効率を推定する。
• 主系列星の対流内部におけるダイナモ限界と推定された磁場強度を比較する。
• 電波超新星のスペクトル、輝度、時間的変化のデータを用いて、磁場強度を制約し、予測を検証する。
• OBおよびWolf Rayet星からの非熱的電波放射を分析し、予測されたスペクトル、変動性、輝度を検証する。
• 観測された放射特徴を説明するために、電子の注入効率を衝撃速度の段階関数として導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場駆動風モデルと整合する磁場を有するWolf Rayet星が、3 × 10^9 GeVに達する粒子を加速できるか？
• RQ2 宇宙線加速から推定された磁場強度は、その主系列星の前身星におけるダイナモ限界と整合的か？
• RQ3 電波超新星のスペクトル、輝度、時間的依存性の特性が、予測された磁場強度を支持するか？
• RQ4 OBおよびWolf Rayet星からの非熱的電波放射は、提案された加速メカニズムで説明可能か？
• RQ5 観測データが示唆するように、電子の注入効率は衝撃速度の段階関数として記述できるか？

主な発見

• 3 × 10^9 GeVの粒子加速に必要な磁場強度は、Wolf Rayet星に進化する主系列星の対流内部におけるダイナモ限界と整合的である。
• 推定された磁場強度は、磁場駆動風理論が予測する値と一致しており、理論的相互検証が可能である。
• 電波超新星のスペクトル、輝度、時間的依存性に関するデータは、必要な磁場強度を支持しており、モデルの妥当性を強化している。
• モデルは、OBおよびWolf Rayet星からの非熱的放射の観測スペクトル、時間的変動性、輝度をうまく再現している。
• 粒子加速プロセスにおける電子の注入効率は、衝撃速度の段階関数として最もよく記述されており、注入効率に閾値特性が存在することが示唆される。
• 複数の独立した観測的および理論的制約が一致するという事実は、磁気的回転子Wolf Rayet星が高エネルギー宇宙線の起源であるという強い間接的証拠を提供している。