[論文レビュー] Scattering of energetic particles by anisotropic magnetohydrodynamic turbulence with a Goldreich-Sridhar power spectrum in the quasilinear approximation

Benjamin D. G. Chandran|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、準線形理論を用いて、Goldreich-Sridhar（GS）スペクトルを持つ非等方的磁流力学的乱流におけるエネルギーの高い粒子の散乱率を計算している。その結果、このような乱流は、銀河内宇宙線伝播や衝撃加熱における宇宙線の平均自由行程を説明するのに十分なピッチ角散乱を生じさせないことが判明した。これは、より強い散乱が、宇宙線の流れによって駆動されるような非-GSフラクチュエーションから生じる必要があることを示唆している。

ABSTRACT

Scattering rates for a Goldreich-Sridhar (GS) spectrum of anisotropic, incompressible, magnetohydrodynamic turbulence are calculated in the quasilinear approximation. Because the small-scale fluctuations are constrained to have wave vectors nearly perpendicular to the background magnetic field, scattering is too weak to provide either the mean free paths commonly used in Galactic cosmic-ray propagation models or the mean free paths required for acceleration of cosmic rays at quasi-parallel shocks. Where strong pitch-angle scattering occurs, it is due to fluctuations not described by the GS spectrum, such as fluctuations generated by streaming cosmic rays.

研究の動機と目的

• Goldreich-Sridhar（GS）スペクトル乱流が、銀河内宇宙線伝播に必要な粒子散乱を十分に生じさせられるかどうかを特定すること。
• GSモード乱流が、銀河内宇宙線伝播モデルで要求される平均自由行程を支持できるかどうかを評価すること。
• GS乱流が、準平行衝撃での宇宙線加速に必要な強いピッチ角散乱を可能にするかどうかを評価すること。
• 強力な散乱の起源を特定し、GSフラクチュエーションと他の要因を対比すること。

提案手法

• 非等方的かつ非圧縮性磁流力学的乱流における粒子散乱率を計算するために準線形理論を適用すること。
• 波数ベクトルが背景磁場に対して主に垂直を向く小スケールフラクチュエーションをモデル化するためにGoldreich-Sridharスペクトルを用いること。
• 粒子エネルギーおよび乱流の非等方性の関数としての散乱率を評価すること。
• 予測された散乱率を、宇宙線平均自由行程に必要な観測的およびモデルベースの要件と比較すること。
• GSスペクトルが、天体的環境における強力な散乱を説明するのに限界を示す点を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Goldreich-Sridharスペクトルを持つ乱流が、銀河内宇宙線伝播に必要な散乱率を十分に生じさせられるか？
• RQ2 GSモードフラクチュエーションは、準平行衝撃での粒子加速に必要な強いピッチ角散乱を生成できるか？
• RQ3 非-GSフラクチュエーションは、宇宙線環境における強力な散乱を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 GS乱流における波数ベクトルの非等方性は、粒子散乱効率にどのように影響するか？

主な発見

• GSスペクトル乱流からの散乱率は、標準的な銀河内宇宙線伝播モデルで用いられる平均自由行程を説明するには不十分である。
• GSスペクトルが予測する散乱の程度は、準平行衝撃での効率的な宇宙線加速に必要な強いピッチ角散乱を説明するには不足している。
• 天体的環境で観測される強力な散乱は、GSスペクトルでは記述できないフラクチュエーション、例えば宇宙線の流れによって駆動されるものなど、非GSフラクチュエーションに起因している可能性が高い。
• GS乱流における波数ベクトルの非等方性（磁場に対してほぼ垂直に整列）が、エネルギーの高い粒子の散乱効果を制限している。