[論文レビュー] Supernova remnants as cosmic ray accelerators. SNR IC 443

B. Hnatyk, O. Petruk|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、超新星残骸IC 443が高エネルギー宇宙線加速源である可能性を検討し、超新星残骸の衝撃波と近接する分子雲との相互作用が、陽子の加速およびパイオン崩壊によるガンマ線生成を強化すると提案している。3次元流体力学的モデルでは、逆衝撃波とレイリー＝タイルラー不安定性が宇宙線密度および混合を顕著に増加させ、EGRETが観測した2EG J0618+2234と整合するガンマ線放射度をもたらす。

ABSTRACT

We examine the hypothesis that some supernova remnants (SNRs) may be responsible for some unidentified gamma-ray sources detected by EGRET instrument aboard the Compton Gamma Ray Observatory. If this is the case, gamma-rays are produced via pion production and decay from direct inelastic collisions of accelerated by SNR shock wave ultrarelativistic protons with target protons of the interstellar medium. We develop a 3-D hydrodynamical model of SNR IC 443 as a possible cosmic gamma-ray source 2EG J0618+2234. The derived parameters of IC 443: the explosion energy E_o=2.7*10^{50} erg, the initial hydrogen number density n(0)=0.21 cm^{-3}, the mean radius R=9.6 pc and the age t=4500 yr result in too low gamma-ray flux, mainly because of the low explosion energy. Therefore, we investigate in detail the hydrodynamics of IC 443 interaction with a nearby massive molecular cloud and show that the reverse shock wave considerably increases the cosmic ray density in the interaction region. Meantime, the Rayleigh-Taylor instability of contact discontinuity between the SNR and the cloud provides an effective mixing of the containing cosmic ray plasma and the cloud material. We show that the resulting gamma-ray flux is consistent with the observational data.

研究の動機と目的

• 超新星残骸（IC 443など）が高エネルギー宇宙線の源であるという仮説を検証すること。
• EGRETが観測した未解明のガンマ線源2EG J0618+2234の起源を、超新星残骸の衝撃波による粒子加速によって説明すること。
• 質量の大きな分子雲との相互作用が、IC 443における宇宙線生成およびガンマ線放射に与える影響を調査すること。
• レイリー＝タイルラー不安定性のような流体力学的不安定性が、宇宙線の混合および放射度をどのように強化するかを特定すること。

提案手法

• IC 443の3次元流体力学的モデルを構築し、衝撃波の伝播および密度の高い分子雲との相互作用をシミュレートする。
• 後方衝撃領域における宇宙線の再加速をモデル化するため、逆衝撃ダイナミクスを組み込む。
• 超新星残骸の噴出物と分子雲の界面における接触不連続面にレイリー＝タイルラー不安定性をシミュレートし、乱流混合をモデル化する。
• 得られた宇宙線密度および標的陽子密度を用いて、非弾性p-p衝突（パイオン生成および崩壊）によるガンマ線放射度を計算する。
• 年齢、半径、爆発エネルギー、周囲密度といった観測パラメータを用いてモデルを制約し、EGRETデータと比較する。
• 衝撃波面におけるエネルギー依存性の拡散および加速効率を適用し、宇宙線スペクトルを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC 443のガンマ線放射、特に2EG J0618+2234という源は、超新星残骸の衝撃波で加速された宇宙線のヘドロニック相互作用によって説明可能か？
• RQ2 質量の大きな分子雲の存在が、IC 443における宇宙線加速およびガンマ線生成の効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 レイリー＝タイルラー不安定性の成長が、宇宙線プラズマと雲物質との混合をどの程度強化するか？
• RQ4 低爆発エネルギーを仮定した標準的超新星残骸モデルではなぜ観測されたガンマ線放射度を再現できないのか？この不一致をどのように解消できるか？
• RQ5 逆衝撃波が相互作用領域における宇宙線密度をどのように増加させるか？

主な発見

• E₀ = 2.7 × 10⁵⁰ ergおよびn(0) = 0.21 cm⁻³を仮定したIC 443の標準的3次元流体力学的モデルでは、EGRET観測を説明するには放射度が低すぎる。
• 逆衝撃波が、超新星残骸と分子雲の相互作用領域における宇宙線密度を顕著に増加させる。
• 超新星残骸と雲の界面における接触不連続面に生じるレイリー＝タイルラー不安定性は、宇宙線プラズマと雲物質との有効な混合をもたらす。
• 逆衝撃加速と乱流混合の併存効果により、2EG J0618+2234の観測放射度と整合するガンマ線放射度が得られる。
• モデルは、分子雲との相互作用が高ガンマ線光度を説明するために不可欠であることを示唆しており、標準モデルの不一致を解消する。
• 得られたパラメータ（年齢t = 4500 yr、半径R = 9.6 pc、爆発エネルギーE₀ = 2.7 × 10⁵⁰ erg）は、IC 443に関する観測的制約と整合的である。