[論文レビュー] Direct Acceleration of Pickup Ions at The Solar Wind Termination Shock: The Production of Anomalous Cosmic Rays

Matthew G. Baring, Donald C. Ellison+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用数 46

ひとこと要約

この論文は、標準的な拡산的衝撃加速を介して、太陽風終着衝撃でピックアップイオンが直接異常宇宙線（ACR）エネルギーに加速可能であることを示している。事前に加速させる段階を必要としない。非線形モンテカルロシミュレーションを用い、注入、散乱、衝撃構造を自己自己一貫的にモデル化することで、平行平均自由行程が約5〜10倍の gyroradius である場合に観測された H+ フラックスが再現され、He+/H+ および O+/H+ のフラックス比も約5倍の範囲で再現され、斜め衝撃での直接注入の妥当性が裏付けられている。

ABSTRACT

We have modeled the injection and acceleration of pickup ions at the solar wind termination shock and investigated the parameters needed to produce the observed Anomalous Cosmic Ray (ACR) fluxes. A non-linear Monte Carlo technique was employed, which in effect solves the Boltzmann equation and is not restricted to near-isotropic particle distribution functions. This technique models the injection of thermal and pickup ions, the acceleration of these ions, and the determination of the shock structure under the influence of the accelerated ions. The essential effects of injection are treated in a mostly self-consistent manner, including effects from shock obliquity, cross- field diffusion, and pitch-angle scattering. Using recent determinations of pickup ion densities, we are able to match the absolute flux of hydrogen in the ACRs by assuming that pickup ion scattering mean free paths, at the termination shock, are much less than an AU and that modestly strong cross-field diffusion occurs. Simultaneously, we match the flux ratios He(+)/H(+) or O(+)/H(+) to within a factor approx. 5. If the conditions of strong scattering apply, no pre-termination-shock injection phase is required and the injection and acceleration of pickup ions at the termination shock is totally analogous to the injection and acceleration of ions at highly oblique interplanetary shocks recently observed by the Ulysses spacecraft. The fact that ACR fluxes can be modeled with standard shock assumptions suggests that the much-discussed "injection problem" for highly oblique shocks stems from incomplete (either mathematical or computer) modeling of these shocks rather than from any actual difficulty shocks may have in injecting and accelerating thermal or quasi-thermal particles.

研究の動機と目的

• 非常に斜めな太陽風終着衝撃におけるピックアップイオンの長年の「注入問題」を解決すること。
• 標準的な拡散的衝撃加速が、事前加速段階を必要とせずに観測されたACRフラックスを生成できるかどうかを特定すること。
• 散乱、衝撃の斜め度、横方向拡散が効率的な注入と加速を可能にする役割を評価すること。
• 現実的な入力ピックアップイオンドメイン密度と微視的パラメータを用いて、絶対的ACRプロトンフラックスおよびフラックス比（He+/H+、O+/H+）を一致させること。
• 衝撃構造と粒子ダイナミクスを自己自己一貫的にモデル化することで、奇妙なメカニズムを導入せずとも観測されたACRスペクトルを再現できるかどうかをテストすること。

提案手法

• 粒子輸送のボルツマン方程式を解くために非線形モンテカルロ手法が用いられ、非等方的粒子分布の取り扱いが可能になった。
• 加速イオンによる衝撃構造の変化、注入効率、ピッチ角散乱を自己自己一貫的に含めた。
• 観測フラックスに一致させるために、散乱平均自由行程（λ∥）と横方向拡散（κ⊥/κ∥）を変化させ、最適なλ∥ ∼ 5–10 rg が得られた。
• 入力ピックアップイオンの位相空間分布は、Vasyliunas & Siscoe (1976) に基づき、Voyager/Cummings & Stone (1996) のフラックスに正規化された。
• パラメータ空間を探索し、注入効率を評価するために、衝撃の斜め度（ΘBn）とマッハ数を変化させた。
• 強い散乱条件下でのモデルのテストにより、事前注入段階が必須かどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な拡散的衝撃加速は、非常に斜めな終着衝撃でピックアップイオンを直接注入・加速し、観測されたACRフラックスを生成できるか？
• RQ2 観測されたACRにおけるH+フラックスに一致させるために、どの散乱条件（平均自由行程、横方向拡散）が必要か？
• RQ3 なぜ観測されたHe+/H+ および O+/H+ フラックス比は、標準モデルが予測する値よりも高いのか？
• RQ4 ピックアップイオンが終着衝撃に注入されるために、事前加速段階が必要なのか、それとも直接注入で十分なのか？
• RQ5 衝撃の斜め度とマッハ数は、注入効率および加速中のA/Q増幅にどのように影響するか？

主な発見

• 平行散乱平均自由行程がイオンの gyroradius の約5〜10倍（λ∥ ∼ 5–10 rg）である場合、ACRにおける観測されたH+フラックスがうまく再現された。
• He+/H+ および O+/H+ のフラックス比は約5倍の範囲で一致し、A/Q増幅のやや低減された見積もりを除けば、妥当な一致が得られた。
• 散乱が強い（λ∥ ≪ 1 AU）場合には、事前加速段階は不要であり、標準的な衝撃物理学のもとで衝撃での直接注入が十分である。
• モデルは、加速中のA/Q増幅が実際に発生し、マッハ数が低下するほど増幅が大きくなるが、Cummings & Stone (1996) が示唆する値よりは低かった。
• ΘBn < 90° の領域は、散乱効率が低下しない限り、ACR生成にあまり寄与しないが、これは一部の解析的およびハイブリッドシミュレーション結果と矛盾する。
• 結果から、斜め衝撃における「注入問題」は、物理的障壁そのものではなく、不完全なモデル化に起因する可能性が示唆された。