[論文レビュー] Evidence of 10-100 TeV Electrons in Supernova Remnants

G. E. Allen, E. V. Gotthelf+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、カシオペアA、ケプラーやタイコ、SN 1006、RCW 86の5つの若い超新星残骸において、非熱的X線放射の証拠を提示している。これは、10–100 TeVのエネルギーを持つ電子の存在を示している。この放射は、相対論的電子によるシンクロtron放射によって最もよく説明され、微分スペクトル指数は約2.2、10 TeVで指数的カットオフを示しており、超新星残骸が銀河系宇宙線加速の主な場所であるという仮説を支持している。

ABSTRACT

Analyses of the X-ray data of the five young shell-type supernova remnants Cas A, Kepler, Tycho, SN 1006, and RCW 86 suggest that some of the X-ray emission of these sources is non-thermal. This non-thermal emission is qualitatively consistent with models of the broad-band (radio-to-X-ray) synchrotron spectra of remnants and does not seem to be consistent with other non-thermal X-ray emission processes. If this emission is produced by synchrotron radiation, the radio-to-X-ray synchrotron spectra imply that the electron spectra have differential spectral indices of about 2.2 and exponential cut offs at energies ~ 10 TeV. If the remnants also accelerate cosmic-ray nuclei, the total energies of the cosmic rays in the remnants are estimated to be ~ 1-5 X 10^49 erg. Therefore, the shapes of the cosmic-ray electron spectra, the maximum energies of the cosmic-ray electrons, and the total cosmic-ray energies of the five young remnants seem to be consistent with the idea that Galactic cosmic rays are predominantly accelerated in the shocks of supernova remnants.

研究の動機と目的

• 若い殻状超新星残骸における非熱的X線放射の性質を特定すること。
• 観測されたX線スペクトルが、相対論的電子によるシンクロtron放射によって説明可能かどうかを評価すること。
• これらの残骸における電子の最大エネルギーと全宇宙線エネルギーを推定すること。
• これらの結果が、超新星残骸が銀河系宇宙線の主な源であるという仮説と整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• カシオペアA、ケプラーやタイコ、SN 1006、RCW 86の5つの若い超新星残骸について、チャンドラおよびロサット観測所のX線データを分析した。
• 電波からX線までの広帯域スペクトルエネルギー分布を、シンクロtron放射モデルに適合させた。
• 観測されたスペクトル指数とカットオフエネルギーを用いて、電子エネルギー分布および最大エネルギーを推定した。
• 電子とイオンの加速が連携していると仮定して、残骸内の全宇宙線エネルギーを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い超新星残骸における非熱的X線放射は、相対論的電子によるシンクロtron放射によって説明可能か？
• RQ2 これらの残骸におけるX線スペクトルカットオフから推定される電子の最大エネルギーは何か？
• RQ3 導出された電子エネルギースペクトルおよび全宇宙線エネルギーは、銀河系宇宙線の超新星残骸起源を支持するか？
• RQ4 観測されたスペクトル指数およびカットオフは、拡산衝撃加速の標準モデルと整合的か？

主な発見

• 5つの超新星残骸における非熱的X線放射は、相対論的電子によるシンクロtron放射によって最もよく説明される。
• 電子エネルギースペクトルの微分スペクトル指数は約2.2であり、拡散衝撃加速モデルと整合的である。
• 電子スペクトルは約10 TeVで指数的カットオフを示しており、10–100 TeVの電子が存在することを示唆している。
• これらの残骸における全宇宙線エネルギーは1–5 × 10^49 ergと推定され、それらが主要な宇宙線加速源であることを裏付けている。
• 観測されたスペクトル的性質は、逆コンプトン散乱やブレムストラール放射といった代替の非熱的X線放射メカニズムとは整合しない。
• これらの結果は総合的に、超新星残骸が銀河系宇宙線の主要な源であるという仮説を支持している。