[논문 리뷰] Cosmic Rays, II. Evidence for a magnetic rotator Wolf Rayet star origin

Peter L. Biermann, J. P. Cassinelli|arXiv (Cornell University)|1993. 05. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 자기장이 강한 자전하는 월프 레이트 별이 자기장이 있는 바람에서 확산성 충격 가속을 통해 3 × 10^9 GeV에 이르는 우주선을 가속시킬 수 있다고 제안한다. 다이너모 이론, 라디오 초신성 관측, 비열적 라디오 방출에 의한 제약 조건을 사용하여, 자기장 강도가 자기장에 의해 구동되는 바람 모델이 예측하는 바와 일치함을 보이며, 이러한 별에서 고에너지 입자 가속화의 간접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Based on 1) a conjecture about the mean free path for particle scattering in perpendicular shock geometries, and 2) a model for Wolf Rayet star winds, we argue that explosions of Wolf Rayet stars can lead through diffusive particle acceleration to particle energies up to 3 10^9 GeV. As a test we first demonstrate that the magnetic fields implied by this argument are compatible with the dynamo limit applied to the convective interior of the main sequence stars which are predecessors of Wolf Rayet stars; second we show that this implies the same strength of the magnetic fields as is suggested by the magnetically driven wind theory. Third, we use data from radio supernovae to check the spectrum, luminosity and time dependence which suggest that the magnetic fields again have to be as high as suggested by the magnetically driven wind theory. This constitutes evidence for the magnetic field strengths required to accelerate particles to 3 10^9 GeV. Fourth, we demonstrate that within our picture the nonthermal radio emission from OB and Wolf Rayet stars can reproduce the proper radio spectra, time variability and radio luminosities. Fifth, the comparison of Wolf Rayet stars and radio supernovae suggests that electron injection into the acceleration process is a step function of efficiency with the shock speed as the independent parameter.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장을 지닌 월프 레이트 별이 고에너지 우주선의 원천이 될 수 있는지 조사하기.
• 주계열 원형성 별의 내부에서 다이너모 이론에 의해 예측된 자기장 한계와 유도된 자기장이 일치하는지 테스트하기.
• 라디오 초신성 및 OB 및 월프 레이트 별의 비열적 라디오 방출에서의 관측 데이터를 사용하여 예측된 자기장 강도를 검증하기.
• 충격 속도에 따른 전자 주입 효율의 변화를 분석하여 충격 속도 함수로서의 효율 평가하기.
• 월프 레이트 별 내 자기장 구조가 초고에너지까지의 입자 가속을 지원하는지 판단하기.

제안 방법

• 수직 충격 기하학에서 입자 산란의 평균 자유로움을 가정하여 확산성 충격 가속을 모델링한다.
• 자기장에 의해 구동되는 월프 레이트 별 바람 모델을 적용하여 입자 가속 효율을 추정한다.
• 주계열 원형성 별의 대류 내부에서 다이너모 한계와 유도된 자기장을 비교한다.
• 스펙트럼, 빛의 세기, 시간에 따른 데이터를 사용하여 라디오 초신성에서 자기장 강도를 제약하고 예측을 검증한다.
• OB 및 월프 레이트 별의 비열적 라디오 방출을 분석하여 예측된 스펙트럼, 변동성, 빛의 세기를 테스트한다.
• 관측된 방출 특징을 설명하기 위해 전자 주입 효율을 충격 속도에 따라 단계함수로 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장 강도가 자기장에 의해 구동되는 바람 모델과 일치하는 월프 레이트 별이 3 × 10^9 GeV까지 입자를 가속시킬 수 있는가?
• RQ2 우주선 가속에 의해 유도된 자기장이 주계열 원형성 별의 다이너모 한계와 일치하는가?
• RQ3 라디오 초신성의 스펙트럼, 빛의 세기, 시간 의존성 특성이 예측된 자기장 강도를 지지하는가?
• RQ4 OB 및 월프 레이트 별의 비열적 라디오 방출은 제안된 가속 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측 데이터에 따르면 전자 주입 효율이 충격 속도의 단계함수로 기술되는가?

주요 결과

• 3 × 10^9 GeV까지 입자를 가속시키기 위한 자기장 강도는 월프 레이트 별이 되는 주계열 별의 대류 내부에서 다이너모 한계와 일치한다.
• 유도된 자기장 강도는 자기장에 의해 구동되는 바람 이론이 예측하는 바와 일치하며, 이는 이론 간의 상호 검증을 제공한다.
• 라디오 초신성의 스펙트럼, 빛의 세기, 시간 의존성 데이터는 필요한 자기장 강도를 지지하며, 모델의 타당성을 강화한다.
• 모델은 OB 및 월프 레이트 별의 비열적 방출에서 관측된 라디오 스펙트럼, 시간 변동성, 빛의 세기를 성공적으로 재현한다.
• 입자 가속 과정에서 전자 주입 효율은 충격 속도의 단계함수로 가장 잘 기술되며, 이는 주입 효율의 임계값 행동을 시사한다.
• 여러 독립된 관측 및 이론적 제약 조건 간의 통합적 일치는 자기장 자전 별 월프 레이트 별이 고에너지 우주선의 기원임을 강력한 간접적 증거로 제공한다.