[論文レビュー] The unequivocal evidence of hadron acceleration in Tycho's Supernova Remnant

Giovanni Morlino, Damiano Caprioli|arXiv (Cornell University)|May 31, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、第一効果フェルミ加速を介して、ティコの超新星残骸におけるハドロンの効率的加速を直接放射的証明した。陽子は少なくとも500 TeVにまで加速され、衝撃波の運動エネルギーの約10％が宇宙線に変換されている。観測されたガンマ線スペクトルは、核子衝突による中性パイオン崩壊によって最もよく説明され、レプトン的モデルを除外し、強磁場増幅（約300 μG）が確認された。この増幅は、粒子スペクトルを急峻にし、一貫性のあるハドロン的放射を可能にする。

ABSTRACT

Very recent gamma-ray observations of G120.1+1.4 (Tycho's) supernova remnant (SNR) by Fermi-LAT and VERITAS provided new fundamental pieces of information for understanding particle acceleration and non-thermal emission in SNRs. We want to outline a coherent description of Tycho's properties in terms of SNR evolution, shock hydrodynamics and multi-wavelength emission by accounting for particle acceleration at the forward shock via first order Fermi mechanism. We adopt here a quick and reliable semi-analytical approach to non-linear diffusive shock acceleration which includes magnetic field amplification due to resonant streaming instability and the dynamical backreaction on the shock of both cosmic rays (CRs) and self-generated magnetic turbulence. We find that Tycho's forward shock is accelerating protons up to at least 500 TeV, channelling into CRs about the 10 per cent of its kinetic energy. Moreover, the CR-induced streaming instability is consistent with all the observational evidences indicating a very efficient magnetic field amplification (up to ~300 micro Gauss). In such a strong magnetic field the velocity of the Alfven waves scattering CRs in the upstream is expected to be enhanced and to make accelerated particles feel an effective compression factor lower than 4, in turn leading to an energy spectrum steeper than the standard prediction {\propto} E^-2. This latter effect is crucial to explain the GeV-to-TeV gamma-ray spectrum as due to the decay of neutral pions produced in nuclear collisions between accelerated nuclei and the background gas. The self-consistency of such an hadronic scenario, along with the fact that the concurrent leptonic mechanism cannot reproduce both the shape and the normalization of the detected the gamma-ray emission, represents the first clear and direct radiative evidence that hadron acceleration occurs efficiently in young Galactic SNRs.

研究の動機と目的

• ティコの超新星残骸における粒子加速および多波長放射の自己整合的モデルを確立すること。
• 観測されたガンマ線スペクトルと標準的なレプトン的放射モデルとの間の不一致を解消すること。
• ハドロン的過程が、ギガエレクトロンからテラエレクトロンエネルギー領域まで広がる全ガンマ線スペクトルを説明できるかどうかを特定すること。
• 磁場増幅および宇宙線の逆作用が、衝撃波のダイナミクスおよび粒子スペクトルに与える影響を評価すること。
• 若年性の銀河系超新星残骸における効率的ハドロン加速の決定的証明を提供すること。

提案手法

• 第一効果フェルミ機構を用いた非線形拡산的衝撃加速の半アナリティカルモデルを採用する。
• 宇宙線フィードバックによって駆動される共鳴ストリーミング不安定性による磁場増幅を組み込む。
• 宇宙線の力学的逆作用および自己生成乱流が衝撃構造に与える影響を含める。
• 増幅された磁場における有効圧縮比を計算し、これは4未満の有効衝撃圧縮を低下させる。
• 周囲ガスとの非弾性陽子-陽子衝突による中性パイオン崩壊に起因するガンマ線放射をモデル化する。
• Fermi-LATおよびVERITAS観測と比較して、ハドロン的とレプトン的シナリオをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己整合的ハドロンモデルは、ティコのSNRで観測された全ギガエレクトロンからテラエレクトロン領域のガンマ線スペクトルを説明できるか？
• RQ2 磁場増幅が有効衝撃圧縮および粒子エネルギースペクトルをどのように変化させるか？
• RQ3 宇宙線の逆作用および自己生成乱流は、衝撃波ダイナミクスおよび粒子加速効率にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 なぜレプトン的モデルは、観測されたガンマ線放射の形状と正規化の両方を再現できないのか？
• RQ5 陽子は最大でどのエネルギーまで加速されるか？また、衝撃波の運動エネルギーの何パーセントが宇宙線に変換されるか？

主な発見

• ティコの前線衝撃波における陽子は、少なくとも500 TeVまで加速されており、効率的加速を示している。
• 衝撃波の運動エネルギーの約10％が宇宙線に変換されており、効率的加速と整合的である。
• 宇宙線ストリーミング不安定性によって駆動される磁場増幅は、最大で約300 μGに達する。
• 増幅された磁場は、有効衝撃圧縮因子を4未満に低下させ、標準的なE⁻²予測よりも急峻な粒子エネルギースペクトルをもたらす。
• ギガエレクトロンからテラエレクトロンエネルギー領域に広がる観測されたガンマ線スペクトルは、ハドロン的相互作用に起因する中性パイオン崩壊によって最もよく説明され、レプトン的プロセスではない。
• 自己整合的ハドロン的シナリオは、若年性の銀河系超新星残骸における効率的ハドロン加速の最初の明確で直接的な放射的証明を提供した。