[論文レビュー] Cosmic-ray acceleration in supernova shocks

V. Tatischeff|ArXiv.org|Apr 7, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、複数波長観測と非線形拡산衝撃加速（DSA）モデルを用いて、超新星（SN）衝撃波における宇宙線（CR）加速を調査している。SN 1993Jの電波光曲線にモデルを適用した結果、最初の8.5年間に衝撃波エネルギーの約15％がCRに変換されたことが判明し、磁場増幅によって陽子は約3×10¹⁵ eVにまで加速された。これは、風環境にいる質量の大きな星が、銀河系CRの主要因である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Galactic cosmic rays are widely believed to be accelerated in expanding shock waves initiated by supernova explosions. The theory of diffusive shock acceleration of cosmic rays is now well established, but two fundamental questions remain partly unanswered: what is the acceleration efficiency, i.e. the fraction of the total supernova energy converted to cosmic-ray energy, and what is the maximum kinetic energy achieved by particles accelerated in supernova explosions? Recent observations of supernova remnants, in X-rays with the Chandra and XMM-Newton satellites and in very-high-energy gamma rays with several ground-based atmospheric Cerenkov telescopes, have provided new pieces of information concerning these two questions. After a review of these observations and their current interpretations, I show that complementary information on the diffusive shock acceleration process can be obtained by studying the radio emission from extragalactic supernovae. As an illustration, a nonlinear model of diffusive shock acceleration is applied to the radio light curves of the supernova SN 1993J, which exploded in the nearby galaxy M81. The results of the model suggest that most of the Galactic cosmic rays may be accelerated during the early phase of interaction between the supernova ejecta and the wind lost from the progenitor star.

研究の動機と目的

• 超新星衝撃波で生成される宇宙線の加速効率と最大エネルギーを特定すること。
• 超新星残骸（SNRs）が観測された銀河系宇宙線の輝度を説明できるかどうかを評価すること。
• 磁場増幅と非線形DSAが高エネルギー粒子加速を可能にする役割を評価すること。
• 特にSN 1993Jの電波光曲線を用いてDSAプロセスをプローブすること。

提案手法

• SN 1993Jの電波光曲線に準解析的非線形DSAモデルを適用し、時間に依存するCR加速効率を推定する。
• CRの逆圧力による衝撃波の修正をモデルに組み込み、圧縮比の増加と衝撃構造の変化を反映する。
• エネルギー予算の計算により、衝撃波の相互作用期間中に積分された時間に依存するCRエネルギー分额ε_CR(t)から、総CRエネルギーを推定する。
• 観測された光曲線と整合する高い加速率を満たすために、磁場増幅を推定する。
• モデルは、衝撃領域におけるCRエネルギー密度と磁場エネルギー密度が等価であると仮定する。
• SN 1993Jの電波データを用いて、衝撃波のエネルギーフラックスとCR注入効率の時間発展を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 1993Jの電波光曲線から推定される超新星衝撃波における宇宙線加速効率はいかほどか？
• RQ2 磁場増幅を伴う非線形DSAは、若いSNRsの観測された電波およびX線放射を説明できるか？
• RQ3 観測された場の増幅を考慮した場合、陽子がどの程度の最大エネルギーにまで加速されるか？
• RQ4 超新星残骸の初期相互作用段階（SN噴出物と前身星の風との相互作用）が、銀河系宇宙線生成の大部分を占めているか？
• RQ5 SNRsの観測されたγ線放射は、明確にハドロン的またはレプトン的過程に起因すると特定できるか？

主な発見

• SN 1993Jの時間平均CR加速効率ε_CR(t)は、発光後10日から3100日の間に12％から16％に増加し、平均で15％であった。
• 赤超巨星風との相互作用の最初の8.5年間に、CRに蓄えられた総エネルギーは6.8×10⁴⁹ ergに達し、銀河系CR輝度要件（1回のSNあたり約7.5×10⁴⁹ erg）に非常に近い値であった。
• 衝撃領域における磁場増幅は、CRエネルギー密度と等価であると推定され、陽子が約3×10¹⁵ eVまで加速可能であることを可能にした。
• 結果から、初期の風との相互作用段階がCR生成において極めて重要であり、全エネルギー処理の大部分が約8.5年間で完了していることが示唆された。
• モデルは、密度の高い風環境に爆発する質量の大きな星が、銀河系宇宙線集団の主要寄与要因であるという仮説を支持している。
• これらの発見は、非線形DSAと磁場増幅がSNRsにおける高エネルギー粒子加速を可能にするメカニズムであるという仮説と整合的である。