[論文レビュー] Particle acceleration at the termination shock of stellar clusters' wind

Giovanni Morlino|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Aeolian processes and effects被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、大質量星団の集団的星風バブルにおける拡散的衝撃加速の、初めての自己整合的モデルを提示する。粒子の拡散がボームに近い場合、PeV級の宇宙線エネルギーが達成可能であり、最大エネルギーはバブル境界からの粒子漏れと、クラスタ中心への拡散によるエネルギー損失によって制限される。

ABSTRACT

We investigate the process of particle acceleration at the termination shock that develops in the bubble excavated by winds of star clusters in the interstellar medium. We develop a theory of diffusive shock acceleration at such shock and we find that the maximum energy may reach the PeV region for very powerful clusters. We show how the maximum energy is limited by two different processes: the particle escape from the bubble boundary and the drop of energy gain for particles able to diffuse up to the center of the cluster. A crucial role in this problem is played by the dissipation of kinetic energy of the wind to magnetic perturbations which determines the diffusion regime of particles: in case the diffusion is close to Bohm than PeV energies can be reached.

研究の動機と目的

• 大質量星団（MSCs）の集団的星風の終端衝撃（TS）における粒子加速を調査し、内部衝撃や乱流とは異なる代替メカニズムを提示する。
• 高い星風放射率と長い寿命を持つMSCsがPeV級宇宙線を生成可能かどうかという長年の問いに答える。
• 球対称な幾何構造と逆方向衝撃構造（風中で上流、バブル内で下流）が粒子加速およびエネルギー上限に与える影響をモデル化する。
• 磁気乱流と拡散状態（コルモゴロフ、クライチナン、ボーム）が最大宇宙線エネルギーをどのように制御するかを定量化する。
• バブル境界からの粒子漏れとクラスタ中心への還流が最大エネルギーを制限する役割を評価する。

提案手法

• 広がりと拡散を考慮した、風バブル内における宇宙線（CRs）の時間に依存しない球対称輸送方程式を定式化する。
• 流体力学的方程式を用いて風バブル構造をモデル化し、衝撃半径（Rs）、バブル半径（Rb）、および風速度プロファイルを導出する。
• 風の運動エネルギーが磁気乱流に散逸する過程を用いて、乱れた磁場強度と拡散係数（D）を推定し、D ∝ (r/Rs)^1/3 と表す。
• 乱流駆動スケール（Lc）とエネルギー変換効率（ηB）に依存する拡散係数モデルを用い、3つのケース（コルモゴロフ、クライチナン、ボーム拡散）を設定する。
• 輸送方程式を数値的に解き、衝撃面およびバブル端縁での境界条件を満たすように、CR分布関数 f(r,p) を決定する。
• 2つの臨界運動量 pm1（クラスタ中心への拡散）と pm2（バブル境界からの漏れ）を定義し、エネルギーカットオフを設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大質量星団の集団的星風の終端衝撃が、粒子をPeVエネルギーまで加速可能か？
• RQ2 上流がバブル内部にある逆球対称幾何構造は、標準的な超新星残骸モデルと比較して粒子加速にどのように影響を与えるか？
• RQ3 最大宇宙線エネルギーは、バブルからの粒子漏れか、クラスタコアへの還流によるエネルギー損失のどちらによって制限されるか？
• RQ4 乱流領域における拡散状態（コルモゴロフ対比ボームに近い）の違いが、最大エネルギーにどの程度感度を示すか？
• RQ5 加速されたCRスペクトルの相対的正規化は、局所の銀河宇宙線スペクトルと比べてどの程度か？

主な発見

• 粒子の拡散がボームに近い（D ∝ p^{1/3}）場合、強力な星団では最大で約1 PeVの宇宙線エネルギーが達成可能である。
• コルモゴロフ型乱流では、最大エネルギーは約10 TeVに制限され、PeV範囲とは著しく低い。
• クライチナン拡散状態では、中間的な最大エネルギー（10 TeV〜1 PeVの間）が得られる。
• 最大エネルギーは、2つの競合するプロセスのうち小さい方で決定される：クラスタ中心への拡散によるエネルギー損失（pm1）とバブル境界からの漏れ（pm2）。
• p ≲ 10 GeV/c のエネルギー領域では、衝撃面における風密度が低いため、AMS-02による外挿された局所銀河宇宙線スペクトルよりもCRスペクトルが著しく低い。
• 低エネルギー領域（p ≪ pm2）では、衝撃バブル内部の粒子分布関数はほぼ平坦であるが、高エネルギー領域では漏れと拡散損失により急激に低下する。