[論文レビュー] Origin(s) of Cosmic Rays

L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、エネルギー収支、組成、加速物理学の3つの観点から、銀河系宇宙線の起源を検討する。結論として、磁界増幅を伴う拡散的衝撃加速（DSA）を経て、超新星残骸（SNRs）が銀河系宇宙線の大部分を供給している可能性が最も高いとされる。特に、約3×10¹⁵ eVの「膝」エネルギーに達するには磁界増幅が不可欠であり、他の源は10%程度の寄与を示唆する。高エネルギー陽電子は、SNRsを超える追加の源を示唆している。

ABSTRACT

The problem of the origin of Cosmic Rays is now over a century old and while there has been substantial progress, especially in the last decade, there are still open questions. The question of "origin" is open to at least three possible interpretations depending on whether one follows the energy powering the accelerator, the matter being accelerated, or the physics of the acceleration process; these approaches are reviewed in turn. Supernova remnants remain by far the most plausible candidates as dominant sources for the bulk of the Galactic cosmic rays, but contributions from other source populations remain possible. The transition at higher energies from Galactic to extra-galactic populations remains obscure.

研究の動機と目的

• 銀河系宇宙線（GCRs）を駆動する主要なエネルギー源を特定するため、必要な放射出力と既知の天体物理学的エネルギー源を比較する。
• 超新星残骸（SNRs）が、効率的な粒子加速に十分なエネルギーと条件を提供できるかどうかを評価する。
• GCR生成の文脈において、2次フォーム加速や磁気再結合といった代替加速メカニズムを評価する。
• 超高エネルギー領域における銀河系宇宙線と銀河外宇宙線の集団的移行を調査する。
• 観測された宇宙線の組成とエネルギースペクトルを、粒子加速の理論的モデルと一致させる。

提案手法

• 核分裂核生成および伝搬モデルを用いてGCR放射出力の推定を行い、0.3–3×10³⁴ Wの範囲が得られた。
• 次元解析とヒルラス基準を適用し、SNRsにおける最大粒子剛性を推定。標準的な磁界では『膝』エネルギーに達しないことが示された。
• 位相空間密度と拡散係数を用いて、星間乱流による再加速出力を導出し、顕著なエネルギー移動が可能であることを示した。
• アルヴェーン乱流を介したSNRs内での磁界増幅を組み込み、より高い粒子エネルギーと観測との整合性を向上させた。
• Galprop伝搬コードとパラメータ化された拡散係数を用いて、散乱中の粒子輸送とエネルギー増加をモデル化した。
• X線シンクロtronリム（例：SN 1006）からの観測的証拠を用いて、磁界増幅係数と拡散限界を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された銀河系宇宙線フラックスを維持するために必要な総出力は何か？ そして、既知の天体物理学的エネルギー源と比較するとどうなるか？
• RQ2 標準的な磁界を有する超新星残骸は、約3×10¹⁵ eVの『膝』エネルギーに粒子を加速できるか？
• RQ3 星間乱流における2次フォーム加速が、宇宙線エネルギー収支にどの程度寄与するか？
• RQ4 SNRs内での磁界増幅が、拡散的衝撃加速の効率および最大エネルギーに与える影響は何か？
• RQ5 超高エネルギー領域における銀河系宇宙線から銀河外宇宙線への移行の性質は何か？ そして、どのような観測的制約があるか？

主な発見

• 銀河系宇宙線に必要な放射出力は0.3×10³⁴ Wから3×10³⁴ Wの範囲にあり、特にE⁻²の硬い注入スペクトルを仮定するモデルでは上限に近い値が支持される。
• 超新星爆発は機械的エネルギーとして約10³⁵ Wを放出するため、効率が高ければ宇宙線加速のエネルギー源として十分に可能である。
• X線シンクロtronリムの観測から、若いSNRsにおける磁界増幅が10–50倍に達することが示され、これによりDSAが3×10¹⁵ eVの『膝』エネルギーに達することが可能になった。
• 星間乱流による再加速は、低エネルギー宇宙線に顕著なエネルギーを供給可能であり、出力はP_R ∝ (D_xx / V_A²) のように比例する。これはエネルギー収支に顕著な寄与を示す可能性がある。
• 特に磁界増幅を伴うSNR衝撃波におけるDSAメカニズムは、現在、銀河系宇宙線の大部分が『膝』エネルギーまで生成可能であると整合的である。
• PAMELAが観測した陽電子過剰は、SNRsを超える高エネルギー電子源がさらに必要であることを示唆しており、パulsarsやその他の奇妙な源からの寄与が考えられる。