[論文レビュー] Limits on diffusive shock acceleration in dense and incompletely ionised media

L. O’C. Drury, P. Duffy+1 more|ArXiv.org|Oct 12, 1995

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、特に超新星残光における高密度で部分的にイオン化された星間媒体内での拡散的衝撃加速の限界を、イオン-中性子の減衰および衝突によるエネルギー損失がどのように制限するかを調査する。波の減衰と粒子のエネルギー損失について解析的および数値的解を導出し、これらのプロセスが最大宇宙線エネルギーを制限するが、典型的な超新星残光の条件下では効率的な加速を妨げないことを示している。特に衝撃波が低密度領域や事前にイオン化された媒体へと伝播する場合には顕著である。

ABSTRACT

The limits imposed on diffusive shock acceleration by upstream ion-neutral Alfven wave damping, and by ionisation and Coulomb losses of low energy particles, are calculated. Analytic solutions are given for the steady upstream wave excitation problem with ion-neutral damping and the resulting escaping upstream flux calculated. The time dependent problem is discussed and numerical solutions presented. Finally the significance of these results for possible observational tests of shock acceleration in supernova remnants is discussed.

研究の動機と目的

• 上流におけるイオン-中性子アルフェン波の減衰が、高密度で部分的にイオン化された星間媒体内での拡散的衝撃加速に与える影響を定量化すること。
• コロンブおよびイオン化によるエネルギー損失が、低エネルギー領域における粒子の注入と加速をどの程度抑制するかを評価すること。
• 超新星残光におけるガンマ線放射およびバルマー線診断法に与える観測的意義を評価すること。
• 光学的に観測可能な衝撃波が、これらの損失を経ても相対論的エネルギーに粒子を加速できることを検証すること。
• 波の減衰と衝突損失によって加速が抑制される前に到達可能な最大粒子エネルギーの修正推定値を提供すること。

提案手法

• ベル（1978）の形式を修正して、イオン-中性子の減衰を含む定常状態の波励起問題を解く。
• 準線形理論を用いて粒子拡散をモデル化し、拡散係数 κ = κ_B / I と定式化する。ここで I は次元なしの波強度である。
• 波の減衰に起因する上流粒子フラックスの解析的解を、空間的および時間的変化を組み込んで導出する。
• 数値的解法を用いて波励起および粒子加速の時間依存的挙動を探索する。
• 加速時間スケール（t_acc⁻¹）とイオン化およびコロンブ過程による損失時間スケールのバランスを評価する。
• 波の減衰スケールおよび粒子拡散スケールと、非放射的衝撃波における電荷交換長さを比較し、バルマー診断法の感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン-中性子のアルフェン波減衰は、高密度で部分的にイオン化された媒体内での拡散的衝撃加速による粒子の最大エネルギーをどの程度制限するか？
• RQ2 コロンブおよびイオン化エネルギー損失は、高密度星間媒体内での低エネルギー粒子の加速プロセスへの注入にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 光学的に観測可能な超新星残光の衝撃波が、これらの損失を経ても検出可能な高エネルギー宇宙線を生成できるか？
• RQ4 波の減衰と衝突損失を考慮した場合、超新星残光からのガンマ線放射が観測可能である条件は何か？
• RQ5 バルマー線診断法は、非放射的衝撃波における宇宙線プレコースアーチャー構造をどの程度効果的に探査できるか。また、その可能性はどのエネルギー領域で成立するか？

主な発見

• イオン-中性子の減衰は高密度媒体内での最大粒子エネルギーを制限するが、その結果得られるカットオフエネルギー（式46）は、観測可能な宇宙線生成に対して著しく低いものではない。
• 効果的な加速の条件である k₁⁻¹ ≫ 10⁻⁶ Max[x_i T₄⁻¹/², (1−x_i)] は、通常の星間媒体で満たされており、波の減衰が加速を強く妨げる要因とはならないことが示された。
• コロンブおよびイオン化損失は、標準モデルで想定されるように、粒子が熱速度の数倍の速度で注入される限り、加速を抑制しない。
• バルマー診断法は、エネルギー E ≈ 0.04 × (U/10³ km s⁻¹)² × (n_i/1 cm⁻³)⁻¹ × (T/10⁴ K)⁻⁰.⁴ × (B/1 μG) TeV の粒子の構造を、拡散長と電荷交換長さが等しくなるスケールで宇宙線プレコースアーチャー構造を探査可能である。
• 本研究は、光学的に観測可能な衝撃波が相対論的エネルギーに粒子を加速できないという楽観的でない見解を否定し、現実的な条件下でも加速が成立することを示した。
• 衝撃波からのX線およびUV放射による上流媒体の事前イオン化は、イオン-中性子の減衰を低減し、観測可能な宇宙線加速の可能性を高めると示された。