[논문 리뷰] Cosmic Rays, III. The CR spectrum between 1 GeV and 10^4 GeV and the radio emission from supernova remnants

Peter L. Biermann, R. G. Strom|arXiv (Cornell University)|1993. 03. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초신성 잔해에서 우주선의 충격 가속 모델을 제안하며, 확산, 대류, 압축 냉각, 자기장 구조를 포함하여 관측된 우주선 스펙트럼을 재현한다. 이 모델은 은하수 디스크에서의 누출로 인해 E⁻².⁷⁵의 스펙트럼 지수를 예측하며, 더 무거운 원소의 에너지 의존성 절단을 기하학적 효과로 설명하여 1 GeV에서 10⁴ GeV 사이의 관측 결과와 일치시킨다.

ABSTRACT

We develop a theory to account for the cosmic ray spectrum between 1 GeV and 10^4 GeV following the earlier papers of this series. We use the basic concept that the cosmic ray particles are accelerated in a supernova shock that travels through the interstellar medium. Physically important ingredients besides the presence of a strong shock are diffusion, drifts, convection, adiabatic cooling, the injection history, and the topology of the magnetic field, here assumed for simplicity to be homogeneous in the interstellar medium. The result is a spectrum, which for strong shocks in a gas with adiabatic index 5/3 yields a spectrum of E^-2.42. Interstellar turbulence with a Kolmogorov spectrum then leads by leakage from the galactic disk to a spectrum which is E^-2.75, as observed. We argue that the ratio of cosmic ray electrons to protons is determined by the amount of expansion which takes place from the cessation of electron injection to the break-up of the shell by cooling instabilities. Since the highest particle energy reached derives from geometrical arguments, it depends on the charge of the nucleus and so higher Z elements are predicted to reach higher energies.

연구 동기 및 목표

• 1 GeV에서 10⁴ GeV 사이의 관측된 우주선 스펙트럼을 초신성 폭발 충격에서의 입자 가속 물리 모델을 사용하여 설명하기 위해.
• 은하수 디스크에서의 누출을 통해 관측된 우주선 스펙트럼이 E⁻².⁷⁵로 부드럽게 변화하는 이유를 설명하기 위해.
• 가속이 멈춘 후 팽창 역학을 기반으로 우주선에서 전자 대 수소 비율의 기원을 규명하기 위해.
• 더 무거운 원소가 더 가벼운 원소보다 더 높은 최대 에너지를 얻는 이유를 기하학적 및 전하 의존성 효과에 기반해 설명하기 위해.
• 초신성 잔해의 전파 방출을 기반으로 하는 우주선 가속 및 이동 과정과 연결하기 위해.

제안 방법

• 압축 지수 5/3인 매질에서 강한 충격을 가진 확산 충격 가속 모델을 사용하여 초기 스펙트럼을 유도한다.
• 균일한 간성간 매질에서 확산, 대류, 압축 냉각, 자기장 구조를 포함한 물리적 과정을 통합한다.
• 우주선이 은하수 디스크에서 탈출하는 것을 모델링하기 위해 콜모고로프 유형의 난류 스펙트럼을 적용하여 스펙트럼의 연화를 이끈다.
• 시간에 따라 변화하는 주입 역사와 냉각 불안정성으로 인한 쉘 붕괴를 고려하여 전자 대 수소 비율을 결정한다.
• 기하학적 논증을 통해 최대 에너지가 핵의 전하에 비례하여 증가함을 보이며, 더 무거운 원소가 더 높은 에너지를 얻는 것을 예측한다.
• 상대론적 전자에 의한 동기복사 메커니즘을 통해 유도된 입자 스펙트럼을 초신성 잔해에서 관측된 전파 방출과 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성 잔해에서 어떤 물리적 과정이 1 GeV에서 10⁴ GeV 사이의 관측된 우주선 스펙트럼을 생성하는가?
• RQ2 왜 우주선 스펙트럼이 기간대에서 테바르 범위로 E⁻².⁷⁵로 연화되는가, 그리고 이는 입자 누출과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 초신성 잔해의 팽창 및 냉각 역학은 우주선에서의 전자 대 수소 비율을 어떻게 결정하는가?
• RQ4 왜 더 무거운 원소는 더 가벼운 원소보다 더 높은 최대 에너지를 얻는가?
• RQ5 초신성 잔해에서의 전파 방출은 예측된 우주선 전자 스펙트럼으로 얼마나 잘 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 강한 충격에서 압축 지수 5/3인 기체에서의 모델은 1차 우주선 스펙트럼을 E⁻².⁴²로 예측한다.
• 콜모고로프 유형의 난류로 인한 은하수 디스크에서의 누출은 E⁻².⁷⁵로 연화된 스펙트럼을 유도하며, 관측 결과와 일치한다.
• 전자 대 수소 비율은 주입이 멈춘 후 쉘 붕괴까지의 팽창 시간스케일에 의해 결정된다.
• 더 무거운 원소는 기하학적 제약과 전하 의존성 가속 효율성으로 인해 더 높은 최대 에너지를 얻는다.
• 이 모델은 동기복사에 의해 유도된 우주선 스펙트럼과 초신성 잔해에서 관측된 전파 방출을 성공적으로 연결한다.
• 예측된 스펙트럼과 전파 방출은 1 GeV에서 10⁴ GeV 에너지 범위에서 관측 데이터와 일치한다.