[논문 리뷰] Time-dependent galactic winds I. Structure and evolution of galactic outflows accompanied by cosmic ray acceleration

E. A. Dorfi, D. Breitschwerdt|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 04.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 59인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하적 풍경의 시간에 따라 변화하는 유체역학 모델을 제안하며, 자기장선을 따라 확산 및 유동을 통한 우주선(CR) 운반과 자가 유도된 MHD 파동에 의한 동역학적 운동량 전달을 자가 일관적으로 결합한다. 이 모델은 은하적 디스크 근처 약 3 kpc 내에서 약 300만 년 이내에 초신성 폭발의 연속적인 시퀀스가 은하 외곽에서 충격파를 유도하며, 이로 인해 우주선이 10^17–10^18 eV로 효율적으로 후기 초신성 가속화됨을 보여주며, 이는 약 10^15–10^18 eV 에너지 범위에서 은하계 우주선 스펙트럼의 '무릎'에서 '발목'에 이르는 자연스러운 설명을 제공한다.

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".

연구 동기 및 목표

• 은하 형성 영역에서 시간에 따라 변화하는 초신성 활동이 은하풍 역학과 우주선 가속화에 미치는 영향를 조사하는 것.
• 은하풍 틀 안에서 우주선 운반, MHD 파동 생성, 유체역학 간의 자가 일관된 결합을 모델링하는 것.
• 은하 외곽에서 형성된 충격파가 관측된 '무릎'(~10^15 eV)과 '발목'(~10^18 eV) 사이의 파wer-라우프 우주선 스펙트럼을 설명할 수 있는지 판단하는 것.
• 변경되는 경계 조건 하에서 시간에 따라 변화하는 은하풍 해법의 안정성과 渐近적 행동을 평가하는 것.

제안 방법

• 초신성에 의해 유도되는 압력 변화를 반영한 시간에 따라 변화하는 내부 경계 조건을 가진 유체역학적 시뮬레이션을 흐름관 기하학에서 수행한다.
• 우주선 운반은 Fokker-Planck 방정식의 모멘트를 통해 기술되며, 자기장선을 따라 확산 및 유동 운반을 포함한다.
• 우주선과 자가 생성된 MHD 파동 간의 에너지 교환을 포함하여 플라즈마로의 운동량 전달을 가능하게 하며, 이는 풍의 구동에 기여한다.
• 비선형 피드백을 고려하여 우주선 압력이 충격파의 구조를 수정하고, 테스트 입자 근사법을 피할 수 있도록 한다.
• 시뮬레이션은 풍의 구조, 충격파 형성, 입자 가속화의 시간에 따른 진화를 추적하며, 충격파 전파 및 스펙트럼 기울기 변화를 포함한다.
• 연속적인 초신성 폭발을 시뮬레이션하기 위해 경계 조건을 다양화하여 외곽에서 일시적인 충격파와 접촉 불연속면을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 초신성 폭발에 의해 유도되는 시간에 따라 변화하는 경계 조건이 안정적이고 渐近적 해를 갖는 유동 솔루션을 도출할 수 있는가?
• RQ2 은하 외곽을 통과하는 충격파가 10^15 eV 이상의 에너지로 우주선을 어떻게 가속화하는가?
• RQ3 우주선 스펙트럼의 '무릎'에서 '발목'에 이르는 영역에서 관측된 스펙트럼 기울기 변화가 은하 외곽의 충격가속화에 의해 어느 정도 기인하는가?
• RQ4 우주선은 얼마나 빨리 10^17–10^18 eV로 가속화되며, 이는 은하 디스크에서 얼마나 가까운 거리에서 발생하는가?
• RQ5 충격파 후류에서 입자 유동이 고에너지 우주선의 관측 가능한 등방성과 유량을 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시간에 따라 변화하는 은하풍 시뮬레이션은 Breitschwerdt 등(1991)의 정적인 풍 솔루션과 뛰어난 일치를 보이는 渐近적 해로 수렴한다.
• 초신성 활동에 의해 시간에 따라 변화하는 압력으로 인해 은하 외곽에서 형성된 충격파는 디스크에서 약 3 kpc 이내, 5×10^6 년 이내에 우주선을 10^17–10^18 eV로 가속화할 수 있다.
• 가속화 메커니즘은 효율적이고 빠르며, 다수의 충격파가 환경 매질을 통과하는 하부 외곽에서 발생하여 은하계 우주선의 관측된 에너지 분포와 일치한다.
• 충격파에서의 우주선 스펙트럼은 디스크보다 더 기울어져 있으며, 스펙트럼 기울기 지수는 -4 이하이다. 이는 외곽에서의 마흐 수가 낮기 때문이며, 이는 '무릎'을 초월한 스펙트럼 기울기 변화를 설명한다.
• 우주선은 충격파 후류에서 은하 디스크 쪽으로 유동하며, 이는 지구에서 관측 가능한 우주선이 되고, 지구에서 관측되는 등방성 유량에 기여한다.
• 은하 외곽은 후기 초신성 가속화에 매우 유망한 장소로 규명되었으며, 특히 마흐 수가 낮고 스펙트럼 기울기 변화가 뚜렷한 은하수처럼 침체된 은하 형성 영역에서 특히 그렇다.