[논문 리뷰] Positrons from pulsar winds

Pasquale Blasi, Elena Amato|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 빠르게 움직이는 펄서가 형성하는 버드샷을 포함한 펄서 풍 난류성은 은하계 양전자를 주요 공급원으로 제공할 수 있다고 제안한다. 초신성 잔해에서 벗어난 후 이러한 펄서들은 종료 충격파를 통해 전자-양전자 쌍을 효율적으로 가속화할 수 있으며, 브레이킹 인덱스가 2.5일 경우 효율성이 30–50%에 이르며, 암흑물질이나 이국적 기원을 요구하지 않고도 PAMELA가 관측한 양전자 과잉 현상을 자연스럽게 설명할 수 있다.

ABSTRACT

Pulsars, or more generally rotation powered neutron stars, are excellent factories of antimatter in the Galaxy, in the form of pairs of electrons and positrons. Electrons are initially extracted from the surface of the star by the intense rotation induced electric fields and later transformed into electron-positron pairs through electromagnetic cascading. Observations of Pulsar Wind Nebulae (PWNe) show that cascades in the pulsar magnetosphere must ensure pair multiplicities of order $10^{4}-10^{5}$. These pairs finally end up as part of the relativistic magnetized wind emanating from the pulsar. The wind is slowed down, from its highly relativistic bulk motion, at a termination shock, which represents the reverse shock due to its interaction with the surrounding ejecta of the progenitor supernova. At the (relativistic) termination shock, acceleration of the pairs occurs, as part of the dissipation process, so that the cold wind is transformed into a plasma of relativistic non-thermal particles, plus a potential thermal component, which however has never been observed. As long as the pulsar wind is embedded in the supernova remnant these pairs are forced to escavate a bubble and lose energy adiabatically (because of the expansion) and radiatively (because of magnetic and radiation fields). We discuss here the observational constraints on the energy and number content of such pairs and discuss the scenarios that may allow for the pairs to escape in the interstellar medium and possibly contribute to the positron excess that has recently been detected by the PAMELA satellite. Special attention is dedicated to the case of Pulsar Bow Shock Nebulae. The pairs produced in these objects may be effectively carried out of the Supernova Remnant and released in the Interstellar Medium. As a result, Bow Shock Pulsar Wind Nebulae might be the main contributors to the positron excess in the Galaxy.

연구 동기 및 목표

• 빠르게 움직이는 펄서를 포함한 펄서가 간섭우주선 양전자에 있어 중요한 기여를 할 수 있는지 조사하기.
• PAMELA가 관측한 양전자 과잉 현상에 대해 펄서 풍 난류성이 타당한 기원이 될 수 있는지 평가하기.
• 펄서가 초신성 잔해를 벗어난 후 양전자 생성 및 탈출 효율을 규명하기.
• 단일 천체물리적 기원 모델로 관측된 전자 및 양전자 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는지 확인하기.
• 고에너지 입자 가속기나 암흑물질 붕괴일 경우 예상되는 바와 달리 반프로톤 과잉 현상이 관측되지 않는 이유를 설명하기.

제안 방법

• 전자기 캐스케이드를 통해 펄서 자기권에서 생성된 전자-양전자 쌍의 에너지 및 입자 함량을 모델링하기.
• 펄서의 상대론적 풍이 초신성 분출물과 상호작용하면서 형성되는 종료 충격파를 통해 쌍을 가속화하는 과정을 시뮬레이션하기.
• 팽창하는 펄서 풍 난류성 내부에서 쌍의 진화를 분석하고, 단열적 손실과 복사 손실을 고려하기.
• 펄서가 잔해를 벗어난 후 개방적이고 봉인되지 않은 기하학적 구조를 가진 버드샷 난류성에서 쌍의 탈출 효율을 평가하기.
• 시간 평균 및 공간 평균 초신성 발생률을 사용하여 은하간 매질에 주입되는 전자 및 양전자 조각의 조각량 계산하기.
• Fermi와 PAMELA의 관측된 전자 및 양전자 스펙트럼을 초신성 전면 충격과 펄서 풍 기여를 조합하여 평탄한 주입 스펙트럼을 사용해 맞추기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠르게 움직이는 펄서를 포함한 펄서들이 PAMELA에서 관측한 양전자 과잉 현상을 설명할 수 있을 정도로 충분한 수의 양전자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 펄서가 초신성 잔해를 벗어난 후 펄서 풍 난류성에서의 양전자 생성 및 탈출 효율은 얼마인가?
• RQ3 펄서에서 유래한 전자 및 양전자 스펙트럼 형태는 Fermi와 PAMELA의 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고에너지 양전자 기원이 존재할 경우 예상되는 반프로톤 과잉 현상이 관측되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 펄서 풍 모델은 동시에 전자 및 양전자 스펙트럼과 일치하는가?

주요 결과

• 브레이킹 인덱스 n=2.5인 펄서는 단지 30–50%의 효율성만으로도 Fermi 전자 스펙트럼과 PAMELA 양전자 비율을 동시에 설명할 수 있다.
• 다이폴 형태의 자화 감소(n=3)의 경우 필요 효율성이 약 1%에 불과하여 비현실적으로 낮으며, 이는 더 높은 효율 메커니즘이 필요함을 시사한다.
• 버드샷 난류성의 개방적 기하학적 특성 덕분에 상대론적 쌍이 은하간 매질로 효율적으로 탈출할 수 있으며, 이는 검출 가능한 간섭우주선 기여를 가능하게 한다.
• 이 모델은 암흑물질을 도입하지 않더라도 관측된 평탄한 주입 스펙트럼(E⁻¹에서 E⁻¹.⁸)과 PAMELA의 양전자 비율을 자연스럽게 설명한다.
• 펄서 풍 난류성과 초신성 전면 충격의 병합 기여는 넓은 에너지 범위에서 관측된 전자 스펙트럼을 잘 맞춘다.
• 반프로톤 과잉 현상이 없는 것은 자연스럽게 설명되며, 동일한 가속 메커니즘이 유의미한 반프로톤 조각을 생성하지 않기 때문이다.