[論文レビュー] Diffusive Shock Acceleration by Multiple Weak Shocks

Hyesung Kang|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、銀河団中媒体（ICM）における複数の弱い衝撃波による拡散的衝撃加速（DSA）を調査し、M ≤ 3 の衝撃波を繰り返し通過させることで、宇宙線（CR）の再加速が行われ、CR陽子スペクトルが平坦化し、DSAの効率が向上することを示している。主な結果として、個々の衝撃波の圧縮比とは無関係に、累積的な再加速の結果、最終的なCRスペクトルの傾きが p⁻³ に近づくことが判明した。効率は3回の衝撃通過によって著しく向上した。

ABSTRACT

The intracluster medium (ICM) is expected to experience on average about three passages of weak shocks with low sonic Mach numbers, $M\lesssim 3$, during the formation of galaxy clusters. Both protons and electrons could be accelerated to become high energy cosmic rays (CRs) at such ICM shocks via diffusive shock acceleration (DSA). We examine the effects of DSA by multiple shocks on the spectrum of accelerated CRs by including {\it in situ} injection/acceleration at each shock, followed by repeated re-acceleration at successive shocks in the test-particle regime. For simplicity, the accelerated particles are assumed to undergo adiabatic decompression without energy loss and escape from the system, before they encounter subsequent shocks. We show that in general the CR spectrum is flattened by multiple shock passages, compared to a single episode of DSA, and that the acceleration efficiency increases with successive shock passages. However, the decompression due to the expansion of shocks into the cluster outskirts may reduce the amplification and flattening of the CR spectrum by multiple shock passages. The final CR spectrum behind the last shock is determined by the accumulated effects of repeated re-acceleration by all previous shocks, but it is relatively insensitive to the ordering of the shock Mach numbers. Thus multiple passages of shocks may cause the slope of the CR spectrum to deviate from the canonical DSA power-law slope of the current shock.

研究の動機と目的

• 複数回の衝撃波通過が、ICM内での宇宙線（CR）陽子スペクトルに与える影響を、繰り返し再加速の観点から調査すること。
• 衝撃波のマッハ数の変動と断熱的膨張の影響が、テスト粒子領域におけるCRスペクトルの進化に与える影響を評価すること。
• 複数の衝撃波による累積的効果が、電波リリーフの衝撃波におけるX線由来マッハ数（M_X）と電波由来マッハ数（M_radio）の乖離を説明できるかどうかを検証すること。
• リウヴィルの定理に基づき、先行するプラズマシミュレーションを踏まえて、各衝撃波における膨張と注入を含む、半アナリティカルなDSAモデルを拡張すること。

提案手法

• テスト粒子領域を仮定し、運動量に依存しない注入を想定して、複数回の衝撃波通過後のCR陽子スペクトルを半アナリティカルにモデル化する。
• 断熱的膨張を考慮するため、リウヴィルの定理を適用し、後方衝撃領域における運動量スケーリング p′ = Rp を用いる。ここで R = (D/r)¹ᐟ³ である。
• 各衝撃波で、p ≥ 3.8p_th の超熱的粒子の注入をモデル化し、各衝撃波固有の注入運動量 p_inj,k と正規化係数 f_o,k を用いる。
• 同一の衝撃波（M = 3）と、異なるマッハ数の系列（例：M = 1.7, 2.0, 3.0）を用いて、最終スペクトルに与える順序効果を検証する。
• DSA効率 η およびCRエネルギー比 E_CR,k / E_th,k を計算し、非線形性および逆作用の可能性を評価する。
• D = 1（膨張なし）と D = 0.5（膨張あり）のケースを比較することで、膨張効果がスペクトル形成に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M ≤ 3 の弱い衝撃波を複数回通過させた後、CR陽子スペクトルのパワー則の傾きはどのように変化するか？
• RQ2 異なるマッハ数の衝撃波の順序が、最終的なCRスペクトルまたはその傾きに影響を与えるか？
• RQ3 衝撃波間の断熱的膨張は、スペクトルの平坦化と増幅をどの程度弱めるか？
• RQ4 複数の衝撃波による累積的再加速は、電波リリーフにおけるX線由来マッハ数（M_X）と電波由来マッハ数（M_radio）の観測上の乖離を説明できるか？
• RQ5 ICM内でのDSA効率（η）およびCRエネルギー増幅は、衝撃波通過回数に応じてどのようにスケーリングするか？

主な発見

• M = 3 で D = 1 の同一の衝撃波を3回通過させた場合、最終的なCR陽子スペクトルは f(p) ∝ p⁻³ に平坦化し、個々の衝撃波の圧縮比とは無関係に、先行する理論的予測と一致する。
• DSA効率 η は、1回の衝撃通過後は 7.1×10⁻³ から、3回後には 0.13 に増加し、繰り返し加速による顕著なCRエネルギー増幅が確認された。
• E_CR,k / E_th,k の比は、3回の衝撃通過で 9.6×10⁻³ から 0.17 に増加し、テスト粒子仮定が満たされている（η < 0.1）ことが確認された。
• 異なるマッハ数の衝撃波の順序にかかわらず、最終的なCRスペクトルはほぼ同一であり、p/m_p c ≫ 1 の領域ではパワー則の傾き q_sum(p) はほぼ一定である。
• 後方衝撃領域における膨張は、スペクトルの平坦化と増幅を弱める。D = 0.5 のケースでは、D = 1 のケースに比べて、前駆密度および運動量スケーリングが低いため、CRエネルギーが低くなる。
• 複数の衝撃波による累積的効果が最終スペクトルの傾きを支配しており、最近の衝撃波のDSA傾き q_DSA とは顕著に異なる場合がある。これは、M_radio が単一の衝撃波ではなく、統合された衝撃歴を反映している可能性を示唆している。