[論文レビュー] Particle Acceleration in Colliding Flows: Binary Star Winds and Other Double-Shock Structures

Mikhail Malkov, Martin Lemoine|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、連星星の風など、衝突する流れにおける二重ショック加速メカニズムを提案する。前もってエネルギーを獲得した粒子が、ショック間の乱流スケールよりも大きなジロラジウスを持つ場合、準垂直ショック間を繰り返し跳ね返ることで、効率的なエネルギー増加を経験する。主な結果として、粒子は1サイクルあたり10倍を超えるエネルギー増加を達成可能であり、特定の条件下ではPeVスケールの粒子加速が効率的に行える。

ABSTRACT

A shock wave propagating perpendicularly to an ambient magnetic field accelerates particles considerably faster than in the parallel propagation regime. However, the perpendicular acceleration stops after the shock overruns a circular particle orbit. At the same time, it may continue in flows resulting from supersonically colliding plasmas bound by a pair of perpendicular shocks. Although the double-shock acceleration mechanism, which we consider in detail, is not advantageous for thermal particles, pre-energized particles may avoid the premature end of acceleration. We argue that if their gyroradius exceeds the dominant turbulence scale between the shocks, these particles might traverse the intershock space repeatedly before being carried away by the shocked plasma. Moreover, entering the space between the shocks of similar velocities $u_{1}\approx u_{2}\approx c$, such particles start bouncing between the shocks at a fixed angle $\approx 35.3^{\circ}$ to the shock surface. Their drift along the shock fronts is slow, $V_{d}\sim\left|u_{2}-u_{1} ight|\ll c$, so that it will take $N\sim Lc/\left|u_{2}-u_{1} ight|d\gg1$ bounces before they escape the accelerator (here, $L$ is the size of the shocks and $d$ is the gap between them). Since these particles more than ten-fold their energy per cycle (two consecutive bounces), we invoke other possible losses that can limit the acceleration. They include drifts due to rippled shocks, the nonparallel mutual orientation of the upstream magnetic fields, and radiative losses.

研究の動機と目的

• 衝突する超音速流によって形成される二重ショック系における粒子加速を調査すること。特に連星星の風を対象とする。
• 標準的な拡散衝撃加速（DSA）の限界、特に観測された極端な源における硬いスペクトル（q ≥ 3.5）と矛盾するきついスペクトル指数（q ≥ 3.5）を解消すること。
• 事前にエネルギーを得た粒子が、二重ショック幾何学において早期に逃げ出すのを避け、繰り返し加速を維持できる条件を探索すること。
• ショックのリッピング、磁場のずれ、放射損失などの物理的メカニズムが加速を終了させる要因となるかを特定すること。
• このメカニズムが、銀河系内源における高エネルギー（PeV）宇宙線およびニュートリノの供給源として実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 磁場に垂直に進行する2つのショックを有する二重ショック構成を分析し、準垂直ショック幾何学に注目する。
• 粒子がショック間領域に進入する際、ジロラジウスが乱流スケールを上回る前提で、ショック間を繰り返し跳ね返ることによる加速をモデル化する。
• 粒子速度とショック面との間の固定角（約35.3°）のおかげで、Fermi型加速が効率的に行えるため、2回の跳ね返りサイクルあたりエネルギー増加が10倍以上に達する。
• 漂流速度 Vd ∼ |u2 − u1| ≪ c を用いて閉じ込め時間を推定し、逃げ出すまでのバウンス回数 N ∼ Lc / |u2 − u1|d ≫ 1 が得られ、加速時間が著しく延長される。
• 競合する損失機構（ショックのリッピング、上流磁場が平行でない、放射損失）を評価し、最大エネルギーを制限する要因を特定する。
• モデルを、例えば η Carinae や LS 5039 などの衝突風連星および古い超新星残骸の放射性殻層などの天体的系に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突流における二重ショック系は、標準DSAの限界を超えて効率的な粒子加速を可能にするか？
• RQ2 事前にエネルギーを得た粒子が、2つのショック間で繰り返し加速サイクルを維持できる条件は何か？
• RQ3 このような系において加速プロセスを終了させる物理的メカニズムは何か？
• RQ4 二重ショック構成において、1サイクルあたりの粒子エネルギー増加は、ショック速度および幾何学的要因にどのように依存するか？
• RQ5 このメカニズムは、TeVブラザラや銀河系PeV源のような極端な源で観測される硬い粒子スペクトルをどの程度説明できるか？

主な発見

• ジロラジウスがショック間の主要な乱流スケールを上回る粒子は、複数回の跳ね返りを経験し、早期に逃げ出すのを回避できる。
• 二重ショック構成により、粒子速度とショック面との間の固定角（約35.3°）のおかげで、2回の跳ね返りサイクルあたり10倍を超えるエネルギー増加が可能となる。
• ショックフロントに沿った漂流速度は遅く（Vd ∼ |u2 − u1| ≪ c）、逃げ出すまでのバウンス回数 N ≫ 1 に達するため、加速時間が著しく延長される。
• このメカニズムは、自らの散乱波を駆動しない事前にエネルギーを得た粒子に対して最も効果的であり、単一ショックDSAで一般的な対流損失を回避できる。
• 放射損失、ショックのリッピング、上流磁場のずれが、最大粒子エネルギーを制限する主な終了メカニズムとして特定された。
• このモデルは、硬いスペクトル（q < 4）および高エネルギー（PeV）粒子を、衝突風連星や放射性殻層を持つ古い超新星残骸で生成する有効なメカニズムを提供する。