[논문 리뷰] Direct Acceleration of Pickup Ions at The Solar Wind Termination Shock: The Production of Anomalous Cosmic Rays

Matthew G. Baring, Donald C. Ellison외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 09. 10.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 63인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 태양풍 종료충격에서 표준 확산 충격 가속을 통해 픽업 이온이 비정상 우주선(ACR) 에너지로 직접 가속될 수 있음을 입증한다. 사전 가속 단계가 필요하지 않다. 비선형 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 충격 구조, 주입, 산란을 자가일관적으로 모델링한 결과, 평행 평균 자유경로가 약 5–10배의 궤도반경일 때 관측된 H+ 통량이 잘 맞아떨어지며, He+/H+ 및 O+/H+ 통량 비율도 약 5배 이내로 재현된다. 이는 기울기 있는 충격에서 직접 주입이 가능함을 뒷받ány한다.

ABSTRACT

We have modeled the injection and acceleration of pickup ions at the solar wind termination shock and investigated the parameters needed to produce the observed Anomalous Cosmic Ray (ACR) fluxes. A non-linear Monte Carlo technique was employed, which in effect solves the Boltzmann equation and is not restricted to near-isotropic particle distribution functions. This technique models the injection of thermal and pickup ions, the acceleration of these ions, and the determination of the shock structure under the influence of the accelerated ions. The essential effects of injection are treated in a mostly self-consistent manner, including effects from shock obliquity, cross- field diffusion, and pitch-angle scattering. Using recent determinations of pickup ion densities, we are able to match the absolute flux of hydrogen in the ACRs by assuming that pickup ion scattering mean free paths, at the termination shock, are much less than an AU and that modestly strong cross-field diffusion occurs. Simultaneously, we match the flux ratios He(+)/H(+) or O(+)/H(+) to within a factor approx. 5. If the conditions of strong scattering apply, no pre-termination-shock injection phase is required and the injection and acceleration of pickup ions at the termination shock is totally analogous to the injection and acceleration of ions at highly oblique interplanetary shocks recently observed by the Ulysses spacecraft. The fact that ACR fluxes can be modeled with standard shock assumptions suggests that the much-discussed "injection problem" for highly oblique shocks stems from incomplete (either mathematical or computer) modeling of these shocks rather than from any actual difficulty shocks may have in injecting and accelerating thermal or quasi-thermal particles.

연구 동기 및 목표

• 매우 기울어진 태양풍 종료충격에서 픽업 이온의 장기적인 '주입 문제'를 해결하기 위해.
• 표준 확산 충격 가속이 사전 가속 단계 없이 관측된 ACR 통량을 생성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 산란, 충격 기울기, 횡방향 확산이 효율적인 주입과 가속을 가능하게 하는 역할을 평가하기 위해.
• 현실적인 입력 픽업 이온 밀도와 미세물리적 매개변수를 사용해 절대적인 ACR 수소 이온 통량과 통량 비율(He+/H+, O+/H+)을 일치시키기 위해.
• 충격 구조와 입자 역학을 자가일관적으로 모델링한 결과, 난잡한 메커니즘을 도입하지 않고도 관측된 ACR 스펙트럼을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 입자 운반을 위한 볼츠만 방정식을 해결하기 위해 비선형 몬테카를로 기법을 사용하여, 비이소otropic 입자 분포를 다룰 수 있도록 하였다.
• 모델은 가속된 이온으로 인한 충격 구조의 변화, 주입 효율성, 경사각 산란을 자가일관되게 포함한다.
• 관측된 통량을 일치시키기 위해 평행 산란 평균 자유경로(λ∥)와 횡방향 확산(κ⊥/κ∥)을 변화시켰으며, λ∥ ∼ 5–10 rg가 최적임을 확인하였다.
• 입력 픽업 이온 위상공간 분포는 Vasyliunas & Siscoe (1976)에 기반하며, Voyager/Cummings & Stone (1996)의 통량에 정규화되었다.
• 충격 기울기(ΘBn)와 마하 수를 변화시켜 매개변수 공간을 탐색하고 주입 효율성을 평가하였다.
• 강한 산란 조건 하에서 모델을 테스트하여 사전 주입 단계가 필요한지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 확산 충격 가속이 매우 기울어진 종료충격에서 픽업 이온을 직접 주입하고 가속시켜 관측된 ACR 통량을 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 ACR의 H+ 통량을 일치시키기 위해 필요한 산란 조건(평균 자유경로, 횡방향 확산)은 무엇인가?
• RQ3 왜 관측된 He+/H+ 및 O+/H+ 통량 비율이 표준 모델이 예측하는 것보다 높은가?
• RQ4 픽업 이온이 종료충격에서 주입되기 위해 사전 가속 단계가 필요한가, 아니면 직접 주입으로도 충분한가?
• RQ5 충격 기울기와 마하 수는 주입 효율성과 가속 중 A/Q 증가에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 평행 산란 평균 자유경로가 이온 궤도반경의 약 5–10배일 때(Acroscopic H+ 통량이 잘 일치한다.
• He+/H+ 및 O+/H+ 통량 비율은 약 5배 이내로 재현되었으며, 이는 A/Q 증가의 약간의 과소평가가 있음에도 불구하고 합리적인 일치를 나타낸다.
• 산란이 강할 경우(λ∥ ≪ 1 AU) 사전 가속 단계가 필요 없으며, 표준 충격 물리학 하에서 충격에서 직접 주입으로도 충분하다.
• 모델은 가속 중 A/Q 증가가 실제로 발생하며, 마하 수가 감소할수록 증가하지만, Cummings & Stone (1996)가 추론한 것보다 낮게 유지됨을 보여준다.
• ΘBn < 90° 인 영역은 산란 효율성이 낮아지지 않는 한 ACR 생성에 기여가 미미하며, 이는 일부 분석적 및 하이브리드 시뮬레이션 결과와 정면으로 배치된다.
• 결과는 기울어진 충격에서 '주입 문제'가 근본적인 물리적 장벽 때문이 아니라 모델링의 불완전성에서 기인한다는 것을 시사한다.