[論文レビュー] Dynamical effects of cosmic rays leaving their sources

Benedikt Schroer, Oreste Pezzi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ハイブリッド粒子-場のシミュレーションを通じて、宇宙線（CRs）がその源を離れるとストリーミング不安定性を励起し、散乱が強化され、自己生成磁場が形成され、低拡산率のキャビティが生じることを示している。主な結果として、超新星残骸などの強力な源の周囲で、粒子の拡散率が10〜100倍低下することが判明しており、最近のガンマ線観測と整合的である。

ABSTRACT

Cosmic rays (CRs) leave their sources mainly along the local magnetic field present in the region around the source and in doing so they excite both resonant and non-resonant modes through streaming instabilities. The excitation of these modes leads to enhanced scattering and in turn to a large pressure gradient that causes the formation of expanding bubbles of gas and self-generated magnetic fields. By means of hybrid particle-in-cell simulations, we here demonstrate that, by exciting this instability, CRs excavate a cavity around their source where the diffusivity is strongly suppressed. This phenomenon is general and is expected to occur around any sufficiently powerful CR source in the Galaxy. Our results are consistent with recent $\gamma$-ray observations where emission from the region around supernova remnants, stellar clusters and pulsar wind nebulae have been used to infer that the diffusion coefficient around these sources is $\sim 10-100$ times smaller than the typical Galactic one.

研究の動機と目的

• 銀河内での宇宙線が源から放出される際の力学的影響を理解すること。
• 宇宙線がストリーミング不安定性を通じて周囲の媒体をどのように変化させるかを調査すること。
• 超新星残骸やパulsar風ネbulaeのような強力な源の周囲で観測される宇宙線拡散の抑制を説明すること。
• キネティックシミュレーションを用いて、自己生成磁場および低拡散率バブルの形成を示すこと。

提案手法

• 宇宙線のダイナミクスと周囲プラズマとの相互作用をモデル化するために、ハイブリッド粒子-場（PIC）シミュレーションが用いられている。
• シミュレーションでは、宇宙線が局所的な磁場に沿って流れ込む際の、共鳴および非共鳴ストリーミング不安定性の励起を追跡している。
• この手法では、不安定性に起因する電流増大とプラズマ波の励起を通じて、自己自己一致的な磁場生成が含まれている。
• 拡散係数は、シミュレーション領域内の粒子分布関数および空間的拡散速度から推定されている。
• 強化された散乱に起因する圧力勾配力が、媒体のバブル型拡張を引き起こす。
• ガンマ線データによる拡散抑制の観測的制約と、シミュレーションが一致することを検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線が銀河環境における源を離れると、どのようにストリーミング不安定性を励起するのか？
• RQ2 周囲の媒体における粒子拡散および磁場構造に、その結果としてどのような影響が生じるのか？
• RQ3 これらの不安定性が、低拡散率キャビティの形成にどの程度寄与するのか？
• RQ4 自己生成磁場は、宇宙線源領域の力学的および形状的特性にどのように影響を与えるのか？
• RQ5 シミュレーション結果は、拡散抑制を示唆する観測されたガンマ線放射特徴と整合的か？

主な発見

• 宇宙線は、局所的な磁場に沿って流れ込む際、共鳴および非共鳴ストリーミング不安定性を励起し、粒子の散乱が強化される。
• 強化された散乱は、強い圧力勾配を生成し、プラズマおよび自己生成磁場を含む拡張するバブルの形成を駆動する。
• シミュレーションでは、宇宙線が源の周囲に拡散係数が通常の銀河的値の10〜100倍低下したキャビティを形成することが示された。
• 低拡散率領域は、ストリーミング不安定性の持続的励起とそれに伴う磁場増幅によって維持されている。
• 結果は、超新星残骸、星団、パulsar風ネbulaeのガンマ線観測と整合しており、同様の拡散抑制が推定されている。
• この現象は一般性を持ち、銀河内での任意の十分に強力な宇宙線源で予想される。