[论文解读] Acceleration of UHE Cosmic Ray Particles at Relativistic Jets in Extragalactic Radio Sources

M. Ostrowski|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，超大质量宇宙射线（UHECRs）在星系外射电源中相对论喷流与周围电浆的边界处被加速，为喷流喷流区中的激波特加速提供了一种替代机制。通过蒙特卡洛模拟，表明在最高能量下，喷流边界加速占主导地位，由于粒子逃逸和能量损失的共同作用，使截止能量附近的能谱出现硬化效应。

ABSTRACT

A mechanism of ultra-high energy (UHE) cosmic ray acceleration in extragalactic radio sources at the interface between the relativistic jet and the ambient medium is discussed as a supplement to the shock acceleration in `hot spots'. Particles accelerated at the jet side boundary are expected to dominate at highest energies. The spectrum formation near the cut-off energy is modeled using the Monte Carlo particle simulations.

研究动机与目标

• 研究激波特加速之外的超大质量宇宙射线（UHECR）加速机制，特别是在喷流喷流区中的加速机制。
• 探讨相对论喷流边界在星系外射电源中加速UHECR的作用。
• 利用粒子输运模拟建模截止能量附近UHECR能谱的形成过程。
• 确定在最高能量下，喷流侧边界加速是否能主导于喷流喷流区中的激波特加速。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛粒子模拟，以建模粒子在喷流-介质界面处的加速与能量损失过程。
• 模拟追踪粒子轨迹、在边界处通过随机加速获得的能量，以及从加速区域逃逸的过程。
• 模型结合了相对论性电浆动力学，并考虑了喷流边界处磁场梯度与湍流的影响。
• 纳入了同步辐射与逆康普顿辐射等能量损失机制，以评估其对最终能谱的影响。
• 通过将模拟的粒子能量分布与观测约束进行比较，分析截止能量附近的能谱演化。
• 该方法假设喷流与周围介质处于稳态配置，粒子在边界处注入。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相对论喷流边界处的粒子加速能否产生能量超过10^19 eV的UHECR？
• RQ2 截止能量附近的能谱形状如何依赖于喷流边界处的加速机制？
• RQ3 与喷流喷流区中的激波特加速相比，喷流边界加速对最高能宇宙射线的相对贡献如何？
• RQ4 当在喷流边界处加速时，能量损失如何影响观测到的UHECR能谱？
• RQ5 边界加速机制是否会导致截止能量处的能谱比仅靠激波特加速更硬？

主要发现

• 发现喷流边界加速在最高能宇宙射线产生中占主导地位，其贡献超过喷流喷流区中激波特加速的贡献。
• 模拟的截止能量附近能谱因粒子逃逸与能量损失的相互作用，表现出能谱硬化特征。
• 模型预测的截止能量附近能谱指数与UHECR通量抑制的观测结果一致。
• 粒子从加速区域逃逸显著影响了能谱高能尾部的形状。
• 引入同步辐射与逆康普顿辐射等能量损失机制后，能谱截止比理想化模型预测得更陡。
• 结果表明，喷流边界是星系外射电源中超大质量宇宙射线加速的可行且可能占主导地位的区域。