[論文レビュー] Dissipation of the sectored heliospheric magnetic field near the heliopause: a mechanism for the generation of anomalous cosmic rays

J. F. Drake, M. Opher+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 128

ひとこと要約

本稿では、異常宇宙線（ACRs）が太陽系磁気圏終端衝撃で生成されるのではなく、境界付近のヘリオスフィア境界面で発生する収縮する磁気島内の衝突なし磁気再結合によって生成されることを提案する。粒子-格子（PIC）シミュレーションにより、イオンは島の収縮に伴い一次フェルミ加速によってエネルギーを得ることが示され、臨界火炎管条件に達した際にエネルギー放出がピークに達し、スペクトル指数が1.5よりわずかに大きいパワーロウAcrスペクトルが得られる。

ABSTRACT

The recent observations of the anomalous cosmic ray (ACR) energy spectrum as Voyagers 1 and 2 crossed the heliospheric termination shock have called into question the conventional shock source of these energetic particles. We suggest that the sectored heliospheric magnetic field, which results from the flapping of the heliospheric current sheet, piles up as it approaches the heliopause, narrowing the current sheets that separate the sectors and triggering the onset of collisionless magnetic reconnection. Particle-in-cell simulations reveal that most of the magnetic energy is released and most of this energy goes into energetic ions with significant but smaller amounts of energy going into electrons. The energy gain of the most energetic ions results from their reflection from the ends of contracting magnetic islands, a first order Fermi process. The energy gain of the ions in contracting islands increases their parallel (to the magnetic field ${\bf B}$) pressure $p_\parallel$ until the marginal firehose condition is reached, causing magnetic reconnection and associated particle acceleration to shut down. The model calls into question the strong scattering assumption used to derive the Parker transport equation and therefore the absence of first order Fermi acceleration in incompressible flows. A simple 1-D model for particle energy gain and loss is presented in which the feedback of the energetic particles on the reconnection drive is included. The ACR differential energy spectrum takes the form of a power law with a spectral index slightly above 1.5. The model has the potential to explain several key Voyager observations, including the similarities in the spectra of different ion species.

研究の動機と目的

• ボイジャー観測がヘリオスフィア内部でACR強度が増加しているのに対し、従来のモデルでは終端衝撃での拡散的衝撃加速によってACRが生成されると想定しているという矛盾を解消すること。
• ヘリオスフィアが衝突なしの性質を持つにもかかわらず、セクター構造のヘリオスフィア磁場が90 AUまで存続する理由を解明すること。
• エネルギーを持つイオンの圧力フィードバックが磁気再結合ダイナミクスに与える役割、特に臨界火炎管条件を通じての役割を調査すること。
• 観測されたACRエネルギースペクトルとイオン種の類似性を説明できる自己自己一貫した粒子加速モデルを構築すること。
• 非圧縮的・衝突なし流れにおける強力な散乱仮定が破綻することを示し、非圧縮的・衝突なし流れでも一次フェルミ加速が成立することを示すこと。

提案手法

• ヘリオスフィア境界面付近の圧縮されたセクター構造磁場から形成される収縮する磁気島内の衝突なし磁気再結合をモデル化するため、粒子-格子（PIC）シミュレーションを実施する。
• 島収縮の1次元モデルを用いて、磁気モーメントと平行な正準運動量の保存を仮定し、一次フェルミ加速による粒子エネルギー増加を導出する。
• 磁気再結合と粒子加速を終了させるフィードバック機構として、臨界火炎管条件 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ を組み込む。
• 磁気エネルギー、内部エネルギー、流れエネルギーを含むエネルギーバランス方程式を導出し、島収縮ダイナミクスをモデル化する。主な変数として $L$（島長さ）、$u$（収縮速度）、$c_{A0}$（アルベール速度）、$\beta_0$（プラズマベータ）を用いる。
• 収縮速度 $u$ の最大値を分析し、火炎管条件が破綻した際にピークに達することを示し、再結合を自己一貫的に制限する。
• 結果をペイカー輸送方程式と比較し、非圧縮的・低衝突性プラズマにおいて強力な散乱仮定が破綻することを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ異常宇宙線は終端衝撃を過ぎても強度が増加し続けるのか、衝撃ベースの加速モデルの予測とは食い違うのか？
• RQ2 トポロジー的に複雑なセクター構造ヘリオスフィア磁場が、衝突なしの性質を持つにもかかわらず90 AUまで存続する仕組みは何か？
• RQ3 標準的な拡散的衝撃加速が無効な衝突なし・非圧縮性プラズマで、どのように効率的な粒子加速が実現できるのか？
• RQ4 エネルギーを持つイオン圧力の再結合ダイナミクスへのフィードバックが加速プロセスをどのように制御し、エネルギー放出を終了させるのか？
• RQ5 収縮する磁気島内での一次フェルミ加速メカニズムが、観測されたパワーロウACRエネルギースペクトル（スペクトル指数~1.5）を再現できるか？

主な発見

• セクター構造ヘリオスフィア磁場が境界面付近で圧縮され、電流面が狭くなり、衝突なし磁気再結合が誘発され、これが主要なエネルギー放出メカニズムとなる。
• 粒子-格子シミュレーションにより、大部分の磁気エネルギーがイオンに移動し、効率的な平行加熱に起因して電子にも顕著なエネルギー入力が見られるが、それよりは小さい。
• 最もエネルギーの高いイオンは、収縮する磁気島の両端からの繰り返し反射によって一次フェルミ加速を経てエネルギーを得る。島が収縮するにつれてエネルギー増加が増加する。
• 磁気再結合と粒子加速は、臨界火炎管条件 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ に達した際に停止し、自己調節的フィードバック機構が得られる。
• 結果として得られるACR微分エネルギースペクトルは、スペクトル指数が1.5よりわずかに大きいパワーロウに従い、ボイジャー観測と整合的である。
• 本モデルはペイカー輸送方程式における強力な散乱仮定を挑戦し、非圧縮的・衝突なし流れでもエネルギー保存則に反しない一次フェルミ加速が成立することを示している。