[論文レビュー] Time-Dependent Electron Acceleration in Pulsar-Wind Termination Shocks: Application to the 2011 April Crab Nebula Gamma-Ray Flare

John J. Kroon, Peter A. Becker+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、クモのネビュラのパulsar wind終着衝撃波における電子加速の時間依存的解析的モデルを提示する。磁気再結合に起因する電場加速、シンクロトロン損失、および進化する粒子の脱出メカニズムを組み込む。観測された2011年4月のスーパーフレアのガンマ線光曲線およびスペクトルを成功裏に再現し、電場加速が支配的であり、電子が古典的シンクロトロン燃焼限界を超えることを可能にしている。発光時にはピークE/B比が約3に達する。

ABSTRACT

The $\gamma$-ray flares from the Crab nebula observed by {\it AGILE} and {\it Fermi}-LAT between 2007-2013 reached GeV photon energies and lasted several days. The strongest emission, observed during the 2011 April "super-flare," exceeded the quiescent level by more than an order of magnitude. These observations challenge the standard models for particle acceleration in pulsar wind nebulae, because the radiating electrons have energies exceeding the classical radiation-reaction limit for synchrotron. Particle-in-cell simulations have suggested that the classical synchrotron limit can be exceeded if the electrons also experience electrostatic acceleration due to shock-driven magnetic reconnection. In this paper, we revisit the problem using an analytic approach based on solving a fully time-dependent electron transport equation describing the electrostatic acceleration, synchrotron losses, and escape experienced by electrons in a magnetically confined plasma "blob" as it encounters and passes through the pulsar-wind termination shock. We show that our model can reproduce the $\gamma$-ray spectra observed during the rising and decaying phases of each of the two sub-flare components of the 2011 April super-flare. We integrate the spectrum for photon energies $\ge 100\,$MeV to obtain the light curve for the event, which agrees with the observations. We find that strong electrostatic acceleration occurs on both sides of the termination shock, driven by magnetic reconnection. We also find that the dominant mode of particle escape changes from diffusive escape to advective escape as the blob passes through the shock.

研究の動機と目的

• クモのネビュラにおける極端なガンマ線フレア、特に2011年4月のスーパーフレアを説明すること。これは古典的シンクロトロン燃焼限界を超える。
• 標準的な拡산衝撃加速（DSA）モデルが観測された高エネルギー電子集団を説明できないという問題に対処すること。
• 電場加速、シンクロトロン損失、可変な脱出メカニズムを含む時間依存的電子輸送を捉える解析的フレームワークを構築すること。
• 物理的に妥当な時間依存的解を用いて、2011年4月のフレアの光曲線およびスペクトル的進化を再現すること。
• 衝撃波駆動の磁気再結合と電場加速が、超相対論的電子加速の主因である可能性を検証すること。

提案手法

• 電場加速、シンクロトロンエネルギー損失、および粒子脱出を含む完全に時間依存的な電子輸送方程式を解く。
• プラズマブロブと終着衝撃波の相互作用をモデル化し、磁気再結合ダイナミクスに整合する時間変化する電場および磁場を仮定する。
• 二段階の粒子脱出メカニズムを導入する：衝撃波通過前の衝撃波制御脱出（エネルギー依存）と、通過後の広義的脱出（エネルギー非依存）。
• 得られた電子分布関数を用いてシンクロトロン放射を計算し、観測されたガンマ線スペクトルおよび光曲線と比較する。
• 2011年4月のスーパーフレアの二つのサブフレアにモデルを適用し、スペクトル的および時間的進化をフィッティングする。
• 計算された光曲線とFermi-LAT観測の整合性を示し、E/B比とフレアの全光度との関係を提示することでモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解析的で時間依存的なモデルは、2011年4月のクモのネビュラのガンマ線フレアの観測光曲線およびスペクトル的進化を再現できるか？
• RQ2 磁気再結合に起因する電場加速は、電子が古典的シンクロトロン燃焼限界を超えるのをどのように可能にするか？
• RQ3 主な粒子脱出メカニズムは終着衝撃波を越えてどのように変化するか？ そして、これは観測された放射にどのように影響するか？
• RQ4 E/B比とフレアの全光度の関係は何か？ そして、これは二つのサブフレアの違いを説明できるか？
• RQ5 観測されたスペクトル的および時間的挙動は、再結合によって駆動される非理想MHD加速状況と整合するか？

主な発見

• モデルは、2011年4月のクモのネビュラのガンマ線フレアの二つのサブフレアの観測光曲線およびスペクトル的進化を成功裏に再現した。
• 電場加速が粒子エネルギー増幅を支配しており、電子が古典的シンクロトロン燃焼限界（158 MeV）を超えることを可能にした。
• 最も明るいサブフレアではピークE/B比が約3に達し、強い非理想MHD状態と効率的な電場加速を示している。
• 光度が低いサブフレアではE/B比が約1.8であり、加速効率の低下と小さな電子集団と整合的である。
• 粒子脱出メカニズムは、衝撃波通過前は衝撃波制御（エネルギー依存）から、通過後は広義的（エネルギー非依存）に移行し、tad ≈ vdsとなる。
• ブロブから脱出する電子は、観測されたガンマ線放射にほとんど寄与しないことが確認され、放射は主に衝撃波後領域に支配されている。