[論文レビュー] Time-dependent galactic winds I. Structure and evolution of galactic outflows accompanied by cosmic ray acceleration

E. A. Dorfi, D. Breitschwerdt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、自己励起MHD波による運動量輸送と拡散および運搬を伴う宇宙線（CR）輸送を自己整合的に結合する時間依存的水圧的モデルを提案する。時間変動する超新星爆発が銀河ハロー内で衝撃波を駆動し、銀河平面から約3 kpc以内で10^17–10^18 eVのエネルギーに効率的に超新星残り火加速を可能にし、『膝』（~10^15 eV）から『アングル』（~10^18 eV）までの銀河宇宙線スペクトルを自然に説明する。

ABSTRACT

Cosmic rays are transported out of the galaxy by diffusion and advection due to streaming along magnetic field lines and resonant scattering off self-excited MHD waves. Thus momentum is transferred to the plasma via the frozen-in waves as a mediator assisting the thermal pressure in driving a galactic wind. The bulk of the Galactic CRs are accelerated by shock waves generated in SNRs, a significant fraction of which occur in OB associations on a timescale of several $10^7$ years. We examine the effect of changing boundary conditions at the base of the galactic wind due to sequential SN explosions on the outflow. Thus pressure waves will steepen into shock waves leading to in situ post-acceleration of GCRs. We performed simulations of galactic winds in flux tube geometry appropriate for disk galaxies, describing the CR diffusive-advective transport in a hydrodynamical fashion along with the energy exchange with self-generated MHD waves. Our time-dependent CR hydrodynamic simulations confirm the existence of time asymptotic outflow solutions (for constant boundary conditions). It is also found that high-energy particles escaping from the Galaxy and having a power-law distribution in energy ($\propto E^{-2.7}$) similar to the Milky Way with an upper energy cut-off at $\sim 10^{15}$ eV are subjected to efficient and rapid post-SNR acceleration in the lower galactic halo up to energies of $10^{17} - 10^{18}$ eV by multiple shock waves propagating through the halo. The particles can gain energy within less than $3\,$kpc from the galactic plane corresponding to flow times less than $5\cdot 10^6\,$years. The mechanism described here offers a natural solution to explain the power-law distribution of CRs between the "knee" and the "ankle". The mechanism described here offers a natural and elegant solution to explain the power-law distribution of CRs between the "knee" and the "ankle".

研究の動機と目的

• 星形成領域における時間変動する超新星活動が銀河風の力学に与える影響を調査すること。
• 銀河風フレームワーク内での宇宙線輸送、MHD波生成、流体力学の自己整合的結合をモデル化すること。
• ハロー内で形成された衝撃波が、『膝』（~10^15 eV）から『アングル』（~10^18 eV）までの観測されたパワーロー宇宙線スペクトルを説明できるかどうかを特定すること。
• 境界条件の変化に伴う時間依存的銀河風解の安定性および漸近的挙動を評価すること。

提案手法

• 超新星駆動の圧力変動を反映する時間依存的内境界条件を有するフラックスチューブ幾何学における流体力学的シミュレーション。
• 宇宙線輸送は、磁場線に沿った拡散および運搬を組み込んだFokker-Planck方程式のモーメントによって記述される。
• 宇宙線と自己生成MHD波の間のエネルギー交換を含め、プラズマへの運動量輸送を可能にし、風を駆動する。
• 非線形フィードバックを考慮し、CR圧力が衝撃構造を変化させ、テスト粒子近似を回避できるようにする。
• 風構造、衝撃形成、および粒子加速の時間的進化を追跡し、衝撃の伝播およびスペクトルの急峻化を含む。
• 連続する超新星爆発を模倣するために境界条件を変更し、ハロー内に一時的な衝撃波および接触不連続面を誘発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続する超新星爆発に起因する時間依存的境界条件が、定常状態モデルと一致する安定的かつ漸近的流出解の形成を可能にするか？
• RQ2 ハロー内を伝播する衝撃波が10^15 eV以上のエネルギーにまで宇宙線を加速する際の影響は何か？
• RQ3 宇宙線スペクトルの『膝』から『アングル』領域におけるスペクトルの急峻化は、ハロー内での衝撃加速に起因する程度はどの程度か？
• RQ4 宇宙線が10^17–10^18 eVにどのくらいの速さで加速され、銀河平面からどのくらいの距離以内でそれが発生するか？
• RQ5 衝撃波の下流における粒子の運搬が、高エネルギー宇宙線の観測された等方性およびフラックスに果たす役割は何か？

主な発見

• 時間依存的銀河風シミュレーションは、Breitschwerdtら（1991）の定常状態風解と非常に良好に一致する漸近的解に収束する。
• 超新星活動に起因する時間変動圧力によりハロー内で形成された衝撃波は、3 kpc以内の銀河平面近くで5×10^6年未満の期間で宇宙線を10^17–10^18 eVに加速できる。
• 加速メカニズムは効率的で迅速であり、複数の衝撃波が周囲媒体を通過する低ハロー領域で発生し、銀河宇宙線の観測エネルギー分布と整合的である。
• 衝撃波での宇宙線スペクトルは、ハロー内でのマッハ数が低いため、ディスク領域よりも急峻であり、スペクトル指数が-4未満となる。これは『膝』を超える領域でのスペクトル急峻化を説明する。
• 宇宙線は衝撃波の下流へ運搬され、地球での観測が可能となり、ほぼ等方的なフラックスを寄与する。
• 銀河ハローは、特にマッハ数が低く、スペクトル急峻化が顕著なミルキーウェイのような静穏な星形成領域において、超新星残り火宇宙線加速の有望な場所であると特定された。