[論文レビュー] GRB: magnetic fields, cosmic rays, and emission from first principles?

Andrei Gruzinov|ArXiv.org|Mar 10, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、ガンマ線バースト（GRB）環境における大規模磁場生成および粒子加速のための3次元非衝突プラズマシナリオを提案する。2次元シミュレーションでは、ダイナモ機構の欠如により大規模磁場を維持できないと主張する。相対論的接線不連続性が非衝突ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性を駆動し、初期磁場を生成する可能性があり、これが3次元で流体ダイナモによって増幅され、シンクロtron放射および宇宙線生成を第一原理から実現可能とする。

ABSTRACT

We describe a scenario for large-scale magnetic field generation and particle acceleration in a collisionless collision of cold plasma clouds. A first-principle (i.e. using particles) numerical simulation of this process might be possible. Our scenario is essentially 3D. We argue that {\it large-scale} magnetic fields are not generated in 2D, even in collisionless plasma. We calculate and numerically simulate magnetic field generation by relativistic collisionless Kelvin-Helmholtz instability in 2D. Collisionless tangential discontinuity might be more important than collisionless shock, because tangential discontinuity remains unstable even in the hydro limit, when the shock stabilizes.

研究の動機と目的

• 相対論的非衝突シャocksにおける大規模磁場生成を主張する2次元粒子-場シミュレーションの妥当性に挑戦すること。
• 非衝突プラズマにおいても、ダイナモ機構が欠如しているため、2次元では大規模磁場を生成できないと主張すること。
• 非衝突接線不連続性とケルビン＝ヘルムホルツ不安定性を含む3次元シナリオを提示し、大規模磁場生成および粒子加速の有効なメカニズムとすること。
• この3次元シナリオの第一原理的数値シミュレーションが、自己自己一貫的なGRB放射および宇宙線スペクトルをもたらす可能性を示唆すること。
• このメカニズムが、乱流的かつ不均一な環境下でのガンマ線バーストの即時放射および後光フェーズの両方に関連しているかを検討すること。

提案手法

• 等質量粒子と相対論的せん断流れを用いたコールドプラズマモデルを用いて、2次元の相対論的非衝突ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性を分析する。
• 相対論的オームの法則とマクスウェル方程式を組み合わせた、2次元相対論的せん断流れにおける電磁界摂動の線形固有モード方程式を導出する。
• ステップ関数的速度プロファイルを持つ接線不連続性に対して固有モード方程式を解き、不安定性の増幅率を計算する。
• セルドビッチ反ダイナモ定理を用いて、2次元では大規模磁場を維持できないと主張するが、非衝突プラズマにおいても同様である。
• 3次元では、Weibelに類似した不安定性による小スケール磁場が、ケルビン＝ヘルムホルツ乱流とコルモゴロフスケーリングを介して流体ダイナモを駆動する可能性を提示する。
• 3次元相対論的非衝突接線不連続性の第一原理的粒子シミュレーションが、GRB放射および宇宙線スペクトルの自己自己一貫的計算を可能にする可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的せん断流れ下でも、2次元非衝突プラズマで大規模磁場を生成できるか？
• RQ2 理論的制約にもかかわらず、相対論的シャックの2次元粒子-場シミュレーションがなぜ大規模磁場を生成しているように見えるのか？
• RQ3 プラズマダイナミクスの3次元的性質が、非衝突不安定性による大規模磁場生成をどのように可能にするのか？
• RQ4 接線不連続性における相対論的非衝突ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性が、3次元での大規模ダイナモの種として機能できるか？
• RQ5 この3次元メカニズムが、第一原理から観測されたシンクロtron放射および宇宙線生成をどのように説明できるか？

主な発見

• 相対論的非衝突接線不連続性の2次元シミュレーションでは、磁場パッチが生成され、エネルギー密度が等分配状態の約10%、サイズが約10スキンデプスに達する。
• 相対論的非衝突ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の増幅率は、波数 $k = \sqrt{3}\omega_p/(2\sqrt{2}V)$ において最大値 $\lambda = \omega_p/(2\sqrt{2})$ を示す。
• 不安定性は $|kV| < \omega_p$ の条件下で駆動され、相対論的せん断流れにおける増幅の閾値を示す。
• セルドビッチ反ダイナモ定理により、2次元では大規模磁場を維持できない。非衝突プラズマにおいても同様である。
• 3次元では、小スケール磁場生成、流体乱流、およびコルモゴロフスケーリングの組み合わせにより、ダイナモが初期磁場を大スケールへ増幅可能である。
• このシナリオは、第一原理的3次元シミュレーションが、自己自己一貫的なGRB放射および宇宙線スペクトルをもたらす可能性を示唆する。