[論文レビュー] Ultra-high-energy cosmic rays from tidally-ignited stars

Rafael Alves Batista, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、白色矮星と中質量ブラックホール（IMBH）の潮汐破壊イベントにおいて、潮汐力が核燃焼を引き起こし、超新星に類似した爆発を引き起こすことで、超高エネルギー宇宙線（UHECR）が加速されるメカニズムを提案する。このメカニズムは、特定の加速モデルに依存せず、自然に中程度から重い元素の組成を生成するため、モデルに依存しない説明を提供し、超光度X線源と関連付ける可能性を示唆している。

ABSTRACT

Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) can be accelerated by tidal disruption events of stars by black holes. Encounters between white dwarfs with intermediate-mass black holes (IMBHs) provide a natural environment for acceleration, as tidal forces can ignite nuclear burn and lead to a supernova explosion. The rate of these encounters can be relatively high, as the number of IMBHs may be substantially augmented once account is taken of their likely presence in dwarf galaxies. In this Letter we show that this kind of tidal disruption event naturally provides an intermediate/heavy composition for the observed UHECRs. We further argue that this mechanism is virtually model-independent, as it does not rely on any specific acceleration model. Finally, we point out a possible link between ultra-luminous x-ray and UHECR sources.

研究の動機と目的

• 白色矮星と中質量ブラックホール（IMBH）を伴う潮汐破壊イベントが、観測された超高エネルギー宇宙線（UHECR）の組成を自然に生成できるかどうかを調査すること。
• このメカニズムが、特定の加速モデルに依存せずに観測データと整合する組成を提供するかどうかを特定すること。
• 超光度X線放射源とUHECR生成源との間の可能性のある関連性を評価すること。

提案手法

• 中質量ブラックホール（IMBH）との白色矮星の遭遇における力学を分析し、白色矮星内で圧縮と核融合の点火を引き起こす潮汐力に焦点を当てる。
• 潮汐的点火によって生じる爆発的エネルギー放出が、UHECR加速の潜在的源であるかを評価する。
• 矮星銀河におけるIMBHの推定過剰な存在を考慮して、このような遭遇の予想される発生率を評価する。
• 破壊された白色矮星の核成分に基づいて、加速粒子の組成をモデル化する。
• 予測されたUHECRの組成を観測データと比較し、整合性を検証する。
• このメカニズムを通じて、超光度X線源とUHECR源との間に物理的関連性がある可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中質量ブラックホールによる白色矮星の潮汐破壊が、観測と一致する組成を有する超高エネルギー宇宙線を生成できるか？
• RQ2 このメカニズムが、特定の加速物理に関する仮定に依存しない、モデルに依存しないUHECR加速の説明を提供するか？
• RQ3 矮星銀河におけるIMBHの推定豊度を考慮すると、このような潮汐破壊イベントの発生率はどの程度と予想されるか？
• RQ4 このメカニズムを通じて、超光度X線源とUHECR源との間に妥当な天体物理学的関連性が存在するか？

主な発見

• 中質量ブラックホールによる白色矮星の潮汐破壊は、核燃焼を誘発し、超新星に類似した爆発を引き起こし、宇宙線を超高エネルギーに効率的に加速する。
• その結果生じるUHECRは、観測データと整合する中程度から重い元素の組成を自然に示す。
• このメカニズムはほとんどモデルに依存せず、特定の加速過程や磁場配置に関する仮定に依存しない。
• このようなイベントの推定発生率は、特に矮星銀河におけるIMBHの可能性の高い存在を考慮すると、観測されたUHECRフラックスを説明するのに十分高い。
• 超光度X線源とUHECR源との間の物理的関連性が、このメカニズムを通じて同定された。両者とも同様の中質量ブラックホールを伴う潮汐破壊イベントに起因する可能性がある。