[논문 리뷰] Dissipation of the sectored heliospheric magnetic field near the heliopause: a mechanism for the generation of anomalous cosmic rays

J. F. Drake, M. Opher외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 16.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 128

한 줄 요약

이 논문은 이방성 우주선(ACRs)이 헬리오스피어리틱 터미네이션 쇼크에서 발생하는 것이 아니라, 헬리오파울러스 근처에서 세그먼티드 헬리오스피어릭 자기장의 소멸로 형성된 수축하는 자기 도시 내에서 비충돌성 자기재결합을 통해 생성된다고 제안한다. 입자-격자(PIC) 시뮬레이션 결과, 이온은 도시 수축 과정에서 제1종 페르미 가속을 통해 에너지를 얻하며, 이 때 에너지 방출은 경계 불안정 조건이 도달할 무렵에 최고조에 이르게 되고, 이로 인해 스펙트럼 지수 약 1.5보다 略로 높은 파wr-로우 ACR 스펙트럼이 생성된다.

ABSTRACT

The recent observations of the anomalous cosmic ray (ACR) energy spectrum as Voyagers 1 and 2 crossed the heliospheric termination shock have called into question the conventional shock source of these energetic particles. We suggest that the sectored heliospheric magnetic field, which results from the flapping of the heliospheric current sheet, piles up as it approaches the heliopause, narrowing the current sheets that separate the sectors and triggering the onset of collisionless magnetic reconnection. Particle-in-cell simulations reveal that most of the magnetic energy is released and most of this energy goes into energetic ions with significant but smaller amounts of energy going into electrons. The energy gain of the most energetic ions results from their reflection from the ends of contracting magnetic islands, a first order Fermi process. The energy gain of the ions in contracting islands increases their parallel (to the magnetic field ${\bf B}$) pressure $p_\parallel$ until the marginal firehose condition is reached, causing magnetic reconnection and associated particle acceleration to shut down. The model calls into question the strong scattering assumption used to derive the Parker transport equation and therefore the absence of first order Fermi acceleration in incompressible flows. A simple 1-D model for particle energy gain and loss is presented in which the feedback of the energetic particles on the reconnection drive is included. The ACR differential energy spectrum takes the form of a power law with a spectral index slightly above 1.5. The model has the potential to explain several key Voyager observations, including the similarities in the spectra of different ion species.

연구 동기 및 목표

• 바이오버 관측 결과에서 ACR 강도가 헬리오스피어리틱 쉬스터 내에서 증가하는 데 반해, 기존 모델은 ACR를 터미네이션 쇼크에서의 확산성 충격가속으로 기인한다는 점 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 헬리오스피어릭 자기장이 충격성에 취약함에도 불구하고 90 AU까지 지속되는 이유를 밝혀내기 위해, 특히 헬리오스피어의 비충돌성 특성을 고려할 때.
• 에너지 높은 이온 압력 피드백이 자기재결합 역학에 미치는 역할, 특히 경계 불안정 조건을 통해 설명하기 위해.
• 관측된 ACR 에너지 스펙트럼과 이온 종류 유사성에 부합하는 자기 일관성 있는 입자 가속 모델을 개발하기 위해.
• 비압축성, 비충돌성 유동에서 강한 산란 가정이 붕괴되는 상황을 보여주며 페르스 운반 방정정식의 강한 산란 가정을 도전하기 위해.

제안 방법

• 헬리오파울러스 근처에서 압축된 세그먼티드 자기장으로 형성된 수축하는 자기 도시 내 비충돌성 자기재결합을 모의하기 위해 입자-격자(PIC) 시뮬레이션을 수행한다.
• 도시 수축을 1차원 모델로 간주하여, 자기모멘트 및 평행 캐논리컬 운동량 보존을 가정해 제1종 페르미 가속을 통한 입자 에너지 증가를 유도한다.
• 자기재결합과 입자 가속을 종료하는 피드백 메커니즘으로 경계 불안정 조건 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ 를 통합한다.
• 도시 수축 역학을 모델링하기 위해 자기에너지, 내부에너지 및 유동에너지의 에너지 균형 방정식을 유도하며, 주요 변수로 $L$ (도시 길이), $u$ (수축 속도), $c_{A0}$ (알프레드 속도), $\beta_0$ (플라즈마 비트) 를 사용한다.
• 수축 속도 $u$ 의 최대 조건을 분석하여, 불안정 조건 위반 시에 최대가 되며, 이로 인해 자기재결합이 자동으로 제한됨을 보여 자가일관성 있는 제어 메커니즘을 확립한다.
• 결과를 페르스 운반 방정식과 비교하여, 비압축성, 저충돌성 플라즈마에서 강한 산란 가정이 붕괴됨을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이방성 우주선은 충격기반 가속 모델의 예측과는 반대로 헬리오스피어리틱 터미네이션 쇼크를 초월해 강도가 증가하는가?
• RQ2 왜 세그먼티드 헬리오스피어릭 자기장은 그 위상 복잡성에도 불구하고 90 AU까지 빠른 재결합 없이 지속되는가?
• RQ3 표준 확산 충격가속이 효과적이지 않은 비충돌성, 비압축성 플라즈마에서 효율적인 입자 가속을 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 에너지 높은 이온 압력의 자기재결합 역학에 대한 피드백 메커니즘이 가속 과정을 어떻게 조절하고 에너지 방출을 종료하는가?
• RQ5 수축하는 자기 도시 내 제1종 페르미 가속 메커니즘이 관측된 파워-로우 ACR 에너지 스펙트럼(지수 ~1.5)을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 세그먼티드 헬리오스피어릭 자기장은 헬리오파울러스 근처에서 압축되어 전류층이 좁아지며, 비충돌성 자기재결합을 유도하고, 이는 주요 에너지 방출 메커니즘이 된다.
• 입자-격자 시뮬레이션 결과, 대부분의 자기에너지가 이온으로 이행되며, 효율적인 평행 가열로 전자에게도 상당한 에너지가 전달되지만 그 정도는 낮다.
• 가장 높은 에너지를 가진 이온들은 도시의 수축하는 끝부분에서 반복적으로 반사되며 제1종 페르미 가속을 통해 에너지를 얻으며, 도시가 수축할수록 에너지 증가가 증가한다.
• 경계 불안정 조건 $p_{\parallel} - p_{\perp} - \frac{B^2}{4\pi} = 0$ 에 도달할 무렵 자기재결합과 입자 가속이 멈추며, 이는 자가조절 피드백 메커니즘을 제공한다.
• 결과적으로 생성된 ACR 미분 에너지 스펙트럼은 지수 약 1.5보다 略로 높은 파워-로우 법칙을 따르며, 바이오버 관측 결과와 일치한다.
• 이 모델은 페르스 운반 방정식의 강한 산란 가정을 도전하며, 비압축성, 비충돌성 유동에서 제1종 페르미 가속이 에너지 보존을 위반하지 않고도 발생할 수 있음을 보여준다.