[論文レビュー] Particle acceleration in relativistic subluminal shock environments

A. Meli, J. A. Becker+2 more|ArXiv.org|Aug 10, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、活動銀河核（AGN）およびガンマ線バースト（GRB）に見られる相対論的で光速未満の衝撃波における粒子加速をモンテカルロシミュレーションで調査する。衝撃波のローレンツ因子Γが増加するにつれてスペクトル指数が次第に平坦化し、Γ ≈ 1000でαₚ ≈ 1.5に達することを発見した。また、観測された超高エネルギー宇宙線スペクトルのアンク以上のエネルギー領域では、純粋にAGNによる寄与が最もよく観測スペクトルに一致するが、GRBのみでは観測と一致しないほどスペクトルが平坦すぎる結果となった。

ABSTRACT

The understanding of the particle spectra resulting from acceleration in relativistic shocks as they occur in extragalactic sources, is essential for the interpretation of the cosmic ray spectrum above the ankle ($E_p>3\cdot 10^{18}$ eV). It is believed that extragalactic sources like Active Galactic Nuclei and Gamma Ray Bursts can produce particle spectra up to $E_p\sim 10^{21}$ eV. In this contribution, subluminal shocks are investigated with respect to different shock boost factors $Γ$ and the inclination angle between the shock normal and the magnetic field $ψ$. A correlation between the boost factor and the spectral behavior of the emitted particles is found. The results are compared to Active Galactic Nuclei and Gamma Ray Burst diffuse cosmic ray contribution and the observed cosmic ray spectrum at the highest energies.

研究の動機と目的

• 相対論的衝撃波が銀河間領域の天体（AGNやGRBなど）で生成する粒子エネルギースペクトルを理解すること。
• 衝撃波のブースト因子Γおよび磁場の傾き角ψが得られる粒子スペクトル指数に与える影響を特定すること。
• アンク（E > 3×10^18 eV）以上の観測された拡散的宇宙線スペクトルに、AGNおよびGRBが寄与する程度を評価すること。
• GRBまたはAGNの源が単独で、超高エネルギー領域における観測された宇宙線スペクトルを再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• テスト粒子加速を相対論的斜め衝撃波でモデル化するモンテカルロシミュレーションを実施。ピッチ角散乱およびプラズマフレーム内での拡散を用いる。
• 粒子の運動およびエネルギー増加を追跡するため、上流流体フレーム、衝撃波静止フレーム、下流領域間で相対論的変換を適用する。
• 平均自由行程λは運動量依存の拡散係数を用いて計算され、κ∥ = λv/3およびκ = κ∥cos²ψと表される。
• 粒子は上流で等方的に注入され、確率的散乱を経て繰り返し衝撃波を通過する。エネルギー増加は複数回の通過にわたって追跡される。
• 粒子数が著しく減少した場合に統計的精度を維持するため、低重み粒子をN個の重み1/Nのコピーに置き換える分割技術を用いる。
• シミュレートされた粒子エネルギー分布からスペクトル指数を導出し、観測された宇宙線スペクトルと比較するため、源寄与を線形結合（α·dN_AGN/dE + (1−α)·dN_GRB/dE）で統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的で光速未満の衝撃波において、加速粒子のスペクトル指数αₚは衝撃波のローレンツ因子Γにどのように依存するか？
• RQ2 斜め相対論的衝撃波において、磁場の傾き角ψが得られる粒子スペクトルに与える影響はどの程度か？
• RQ3 アンク以上の観測された超高エネルギー宇宙線スペクトルは、AGNおよびGRBの寄与のみで説明可能か？
• RQ4 GRBのみのシミュレートスペクトルは観測された宇宙線スペクトルと一致するか、それとも顕著なAGN寄与が必要か？
• RQ5 源の進化を考慮し、観測エネルギー密度に正規化した場合、AGNおよびGRBの相対的寄与は10^18.5 eV以上の拡散的宇宙線フラックスにおいてどの程度か？

主な発見

• スペクトル指数αₚは衝撃波のブースト因子Γの増加に伴い線形に減少し、Γ ≈ 10でαₚ ≈ 2.2、Γ ≈ 1000でαₚ ≈ 1.5となる。
• 斜め衝撃波において、磁場の傾き角ψに依存しない近似的な不変性が確認され、ψ = 23°、33°、43°の各条件下で顕著な変化は観測されなかった。
• 非常に相対論的な衝撃波（Γ > 300）は、αₚ ≈ 1.5に達するほど平坦なスペクトルを生成し、一部のGRBで観測された不規則で平坦なスペクトルと整合的である。
• 純粋にAGN由来のスペクトル（Γ = 10）が10^18.5 eV以上の観測された宇宙線スペクトルと最もよく一致するが、顕著なGRB寄与があるとスペクトルが観測と一致しないほど平坦になる。
• 観測された宇宙線エネルギー密度（約10⁻⁷ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）を用いてシミュレートスペクトルを正規化した結果、AGN単独で観測フラックスを説明可能であることが確認された。