[논문 리뷰] Cosmic ray acceleration in subluminal and superluminal relativistic shock environments

A. Meli, J. K. Becker외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 09. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 충격파에서 우주선 가속을 연구하며, Lorentz 인자 Γ=1000에 이르는 시뮬레이션을 통해 초광속 및 미광속 충격 환경을 비교한다. 미광속 충격파는 AGN 제트에서 예상되는 Γ∼10–30일 때 관측된 우주선 스펙트럼(E⁻²)과 일치하는 스펙트럼을 생성하지만, 매우 상대론적인 GRB 충격파(Γ>100)는 너무 평평한 스펙트럼(E⁻¹.⁵)을 만들어내어 주요 UHECR 원천으로서 배제된다. 다만 이러한 충격파는 뉴트리노 플럭스에 기여할 수 있다.

ABSTRACT

The flux of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) at $E>10^{18.5}$ eV is believed to arise in plasma shock environments in extragalactic sources. In this paper, we present a systematic study of particle acceleration by relativistic shocks, in particular concerning the dependence on bulk Lorentz factor and the angle between the magnetic field and the shockflow. For the first time, simulation results of super- and subluminal shocks with boost factors up to $\Gamma=1000$ are investigated and compared systematically. While superluminal shocks are shown to be inefficient at the highest energies ($E>10^{18.5}$ eV), subluminal shocks may provide particles up to $10^{21}$ eV, limited only by the Hillas-criterion. For the subluminal case, we find that mildly relativistic shocks, thought to occur in jets of Active Galactic Nuclei (AGN, $\Gamma\sim 10-30$) yield energy spectra of $dN/dE\sim E^{-2}$. Highly relativistic shocks expected in Gamma Ray Bursts (GRBs, $100<\Gamma<1000$), on the other hand, have spectra as flat as $E^{-1.5}$. The model results are compared to the measured flux of Cosmic Rays at the highest energies and it is shown that, while AGN spectra are well-suited, GRB spectra are too flat to explain the observed flux. The first evidence of a correlation between the Cosmic Ray flux above $5.7\cdot 10^{10}$ GeV and the distribution of AGN by Auger are explained by the model. Neutrino production is expected in GRBs, either in mildly or highly relativistic shocks and although these sources are excluded as the principle origin of UHECRs, superluminal shocks in particular may be observable via neutrino and photon fluxes, rather than as protons.

연구 동기 및 목표

• 다양한 충격 유형(미광속 대비 초광속)과 Lorentz 인자에서 상대론적 충격파에서의 우주선 가속 효율성을 이해한다.
• 충격 흐름 방향에 대한 자기장 방향이 입자 가속 및 스펙트럼 형상에 미치는 영향을 조사한다.
• 미광속 또는 초광속 충격파가 10²¹ eV까지 UHECR을 생성할 수 있는지, Hillas 기준에 부합하는지 평가한다.
• AGN 및 GRB 충격 환경에서의 시뮬레이션 입자 스펙트럼을 관측된 UHECR 플럭스와 비교하여 타당한 원천을 식별한다.
• 특히 GRB에서의 뉴트리노 생성 가능성을 탐색하여, UHECR 원천으로서 배제된 경우에도 관측 가능한 고에너지 방출 신호로서의 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• Lorentz 인자 Γ가 최대 1000에 이르는 상대론적 충격파에 대해 대규모 입자-장기법(PIC) 시뮬레이션을 수행한다.
• 입자 가속에 대한 영향을 평가하기 위해 자기장과 충격 흐름 방향 사이의 각도를 체계적으로 변화시킨다.
• 주로 차별 에너지 분포 dN/dE에 중점을 두어, 미광속 및 초광속 충격 영역에서의 입자 에너지 스펙트럼을 분석한다.
• 각 충격 환경에서 입자가 도달할 수 있는 최대 에너지를 결정하기 위해 Hillas 기준을 적용한다.
• 10¹⁸.⁵ eV 이상의 관측된 UHECR 플럭스와 AGN(Γ∼10–30) 및 GRB(Γ>100) 충격 모델에서의 시뮬레이션 스펙트럼을 비교한다.
• UHECR 원천으로서 배제된 상황에서도 GRB 충격파가 높은 에너지 뉴트리노 플럭스를 생성할 가능성을 고려하여 예상되는 뉴트리노 플럭스를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Γ가 최대 1000에 이르는 미광속 및 초광속 상대론적 충격파에서 입자가 도달할 수 있는 최대 에너지는 얼마인가?
• RQ2 입자 가속의 스펙트럼 형상은 충격파의 Lorentz 인자와 자기장 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 AGN 제트 내의 미광속 충격파가 관측된 E⁻² 거듭제곱 법칙 분포와 일치하는 UHECR 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ4 매우 상대론적인 GRB 충격파(Γ>100)에서의 스펙트럼은 관측된 UHECR 플럭스와 호환되는가, 아니면 너무 평평한가?
• RQ5 초광속 또는 매우 상대론적인 충격파는 UHECR의 주 원천이 아니더라도 고에너지 뉴트리노의 원천이 될 수 있는가?

주요 결과

• AGN 제트에서 예상되는 Γ∼10–30의 미광속 충격파는 관측된 UHECR 플럭스와 일치하는 입자 에너지 스펙트럼을 생성하며, dN/dE ∼ E⁻²로 스케일링된다.
• 매우 상대론적인 GRB 충격파(Γ>100)는 더 평평한 스펙트럼 dN/dE ∼ E⁻¹.⁵를 만들어내며, 이는 관측된 UHECR 플럭스와 일치하지 않아 GRB가 주요 UHECR 원천으로서 배제된다.
• 미광속 충격파는 Hillas 기준에 의해 제한되며, 10²¹ eV까지 입자를 가속시킬 수 있어 UHECR 원천으로서의 타당성을 보여준다.
• 초광속 충격파는 10¹⁸.⁵ eV 이상의 에너지로 입자를 가속시키는 데에 비효율적이며, 따라서 UHECR 원천으로서 가능성은 낮다.
• UHECR 원천으로서 배제된 GRB 충격파는 상당한 뉴트리노 플럭스를 생성할 것으로 예측되며, 이는 UHECR이 아닌 뉴트리노 및 광자 방출을 통해 관측 가능할 수 있음을 시사한다.
• Pierre Auger 관측소에서 관측된 5.7×10¹⁰ GeV 이상의 UHECR 플럭스와 AGN의 공간 분포 간 상관관계에 대한 첫 번째 증거는, 모델이 AGN 유사 스펙트럼을 예측한다는 점에서 설명된다.