[논문 리뷰] Cosmic ray acceleration at relativistic shocks, shear layers, .

M. Ostrowski|arXiv (Cornell University)|2008. 01. 09.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 충격에서의 우주선 가속을 재평가하며, 이전에 가정된 바와 같이 일阶 Fermi 가속이 ≈2.2의 지수를 가진 보편적인 힘의 법칙 스펙트럼을 생성하지 않음을 보여준다. 대신, 이는 충격 압축에 의해 발생하는 성분과 제한된 고에너지 尾를 생성하며, 충격의 상대론적 러닝 인자 증가에 따라 이 尾이 더 급격히 기울어진다. 반면, 난류가 있는 상대론적 플라즈마에서의 이阶 Fermi 과정은 초고에너지 전자(1–1000 TeV)에 대해 지배적인 가속 메커니즘일 수 있다.

ABSTRACT

A review of theoretical results on cosmic ray first-order Fermi acceleration at relativistic shock waves is presented, with recent results substantially changing the existing knowledge on these processes. In particular one can not expect such shocks to form particle distributions extending to very high energies. Instead, distributions with the shock compressed injected component followed by a more or less extended high energy tail are usually created. Increasing the shock Lorentz factor leads to steepening of the energetic tail. An observational check of real electron spectra in the Cyg A hot spots provides results clearly deviating from the standard expectations. The spectrum consist of a very flat low energy part (sigma ~1.5)up to electron energies ~1 GeV, and a much steeper part (sigma > 3)at higher energies. We conclude with remarks on the Fermi second-order processes acting in relativistic plasmas, possibly the main accelerating agent for very high energy cosmic rays.

연구 동기 및 목표

• 최근 시뮬레이션 결과를 활용하여 상대론적 충격에서의 일阶 Fermi 가속 이론적 프레임워크를 재평가하기 위해.
• 오랫동안 유지되어 온 상대론적 충격이 보편적인 우주선 스펙트럼을 지수 ≈2.2로 생성한다는 가정을 도전하기 위해.
• 난류가 있는 상대론적 플라즈마에서의 이阶 Fermi 과정이 잠재적인 대체 가속 메커니즘으로서 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• 이러한 발견이 AGN, 감마선 폭발, 라디오 락스와 같은 천체 물리적 소스에서 고에너지 입자 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 표준 예측과의 괴리가 있는 사이클라스 A의 핫스팟에서 관측된 전자 스펙트럼을 이론 모델과 조율하기 위해.

제안 방법

• 입자 운반과 가속을 모델링하기 위해 경사각 확산을 포함한 상대론적 Fokker-Planck 방정식을 사용한다.
• 충격 압축비 R과 러닝 인자 Γ를 적용하여 스펙트럼 지수를 결정하며, 보편적인 지수 σ ≈ 2.2 대신 충격 조건에 따라 변하는 지수로 대체한다.
• 속도 기울기와 평균 자유 길이와 관련된 ∆U에 비례하는 가속 비율 (∆U/c)²을 갖는 시프어 층에서의 입자 에너지 증가를 분석한다.
• 전자에 대한 동기복사 손실과 양성자에 대한 탈출 시간을 사용하여 가속 시간스케일과 에너지 截단을 추정한다.
• 모델의 타당성을 테스트하기 위해 시뮬레이션 스펙트럼을 사이클라스 A 핫스팟에서의 관측된 전자 스펙트럼과 비교한다.
• 난류 환경에서 이阶 Fermi 과정과 점성 가속의 상대적 효율성을 비율 (λₙ/d · U/V)²을 통해 평가하여, 이阶 과정이 난류 영역에서 지배적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일阶 Fermi 가속이 상대론적 충격에서 기존에 가정된 바와 같이 지수 ≈2.2의 보편적인 힘의 법칙 스펙트럼을 생성하는가?
• RQ2 충격의 상대론적 러닝 인자 Γ가 상대론적 충격 가속에서 고에너지 입자 꼬리의 형태와 스펙트럼 지수에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 난류의 강도와 충격 기하학이 상대론적 충격에서 입자 에너지 스펙트럼 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 난류가 있는 상대론적 플라즈마에서의 이阶 Fermi 과정이 사이클라스 A 핫스팟과 같은 천체에서 관측된 전자 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ5 복사 손실과 가속 시간스케일을 고려할 때, 상대론적 제트와 라디오 락스에서 이阶 Fermi 가속을 통해 도달할 수 있는 최대 전자 에너지는 얼마인가?

주요 결과

• 상대론적 충격에서의 일阶 Fermi 가속은 보편적인 스펙트럼 지수 ≈2.2를 생성하지 않으며, 대신 스펙트럼 지수가 변동하고 충격의 상대론적 러닝 인자 Γ 증가에 따라 고에너지 꼬리가 더 급격히 기울어진다.
• 결과적으로 생성된 입자 스펙트럼은 충격에 의해 압축된 주입 성분과 제한된 고에너지 꼬리로 구성되며, Niemiec 등에 의한 시뮬레이션에서 넓은 범위의 힘의 법칙 분포는 관측되지 않는다.
• 사이클라스 A 핫스팟의 경우 관측된 전자 스펙트럼은 낮은 에너지 영역에서 평탄한 성분(σ ≈ 1.5, 약 ~1 GeV까지)과 매우 기울어진 고에너지 영역(σ > 3)을 보이며, 표준 충격 모델과 크게 다름을 보인다.
• 난류가 있는 상대론적 플라즈마에서의 이阶 Fermi 과정은 자기장 강도와 가속 시간스케일에 따라 1 TeV에서 1000 TeV 사이의 에너지까지 전자를 가속시킬 수 있다.
• 1 Gs 자기장에서 전자의 가속 시간스케일은 약 10³ 초이며, µG 자기장에서는 약 10³ 년으로 연장되며, 이는 대규모 제트와 락스에서 관측된 시간스케일과 일치한다.
• 평균 자유 길이 대 시프어 층 두께의 비율 증가에 따라 이阶 Fermi 과정이 점성 가속보다 상대적으로 더 중요해지며, 이는 난류 환경에서 이阶 과정이 지배적임을 시사한다.