[論文レビュー] Proton and Electron Acceleration through Magnetic Turbulence in Relativistic Outflows

R. Schlickeiser, C. D. Dermer|arXiv (Cornell University)|May 31, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、相対論的噴流内に捕獲された陽子およびチリの磁気乱流が、確率的ゴロトロン共鳴過程を介して電子および陽子を加速し、ブレーザーおよびガンマ線バースト観測と整合する硬いスペクトルを生成すると提案する。主な結果は、チリに起因する乱流が粒子に効率的にエネルギーを転送できることであり、高エネルギー粒子加速および超高エネルギー宇宙線生成の可能性を示している。

ABSTRACT

Low frequency electromagnetic turbulence is generated in relativistically outflowing plasma that sweeps up particles from the surrounding environment. Electrons are energized by stochastic gyroresonant acceleration with the turbulence produced by the isotropization of captured protons and charged dust. Protons are accelerated stochastically by the dust-induced turbulence. Analytical solutions for the proton and electron energy distributions are obtained and used to calculate broadband synchrotron emission. The solutions are compared with generic spectral behavior of blazars and gamma-ray bursts. Dust captured by a blast wave can generate turbulence that could accelerate protons to very high energies.

研究の動機と目的

• 相対論的噴流内における磁気乱流によって駆動される確率的加速メカニズムを通じて、ブレーザーおよびガンマ線バーストで観測された硬い非熱的スペクトルを説明すること。
• 取り巻く陽子およびチリからのエネルギーが乱流を介して電子および陽子にどのように転送されるかを調査し、高エネルギー粒子加速を可能にする仕組みを明らかにすること。
• 相対論的噴流の強い放射線場においてチリが生存可能かどうかを評価すること。チリは乱流生成の主要因であるため。
• 粒子エネルギー分布関数の解析的解を導出し、観測と比較可能な広帯域シンクロtron放射を計算すること。
• 本メカニズムが、超高エネルギー宇宙線生成のための一次フェルミショック加速の代替手段として実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 周囲媒質からの陽子および電子の相対論的ピックアップをモデル化し、二流体不安定性を引き起こし、その後アルフェン磁気乱流が生成されることを示す。
• Pohl & Schlickeiser (2000) が導出した捕獲粒子の等方化 timescale を用い、共動系における乱流成長 timescale を推定する。
• 確率的ゴロトロン共鳴加速理論を適用し、乱流磁場の影響下での電子および陽子エネルギー分布関数を計算する。
• 得られた電子エネルギー分布からシンクロtron放射スペクトルを導出し、ブレーザーおよびGRBの観測された広帯域放射と比較する。
• Waxman & Draine (1999) のパラメータを用い、加熱、再放射、質量損失を含むエネルギー収支方程式を用いてチリの昇華 timescale を評価する。
• チリ粒子の半径と温度の時間発展を記述する連立微分方程式を解き、GRB環境における生存条件を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲された陽子およびチリが生成する磁気乱流が、相対論的噴流内での電子および陽子を高エネルギーに効率的に加速できるか。
• RQ2 確率的ゴロトロン共鳴加速が、ブレーザーおよびガンマ線バーストの後光で観測される硬いスペクトルを生成する役割を果たすか。
• RQ3 強い放射線場下でチリが生存可能となる条件は何か。これは乱流生成を継続可能とするための条件である。
• RQ4 重粒子（陽子、チリ）から電子へのエネルギー転送効率は、標準的なショック加速モデルと比べてどの程度か。
• RQ5 本乱流駆動メカニズムによってGRBおよびブレーザーの観測された広帯域シンクロtron放射が得られるパラメータ領域はどのようなものか。

主な発見

• 捕獲された陽子およびチリが生成する磁気乱流は、確率的ゴロトロン共鳴過程を介して電子および陽子を加速でき、一次フェルミ加速の有効な代替手段であることが示された。
• 陽子および電子エネルギー分布関数の解析的解が導出され、ブレーザーおよびガンマ線バーストで観測された硬いスペクトル指数を再現できた。
• 本モデルは、特に弱冷却電子状態において、GRBのプロンプトおよび後光放射と整合する広帯域シンクロtron放射を予測した。
• E₀ ≈ 10⁵² ergs、nᵢ* ≈ 1 cm⁻³ のような低エネルギーGRBでは、r ≈ 9×10¹⁵ cm の位置に存在するチリは昇華を回避し、持続的な乱流生成が可能である。
• 均一媒質では、爆発波が到達する前にチリが昇華するが、環境が希薄で爆発エネルギーが小さい場合、または塊状媒質ではチリの生存確率が向上する。
• 入射エネルギーのうち横方向アルフェン乱流に変換される割合は ∼β_A であり、β_A ≈ 0.1–1 と推定される。これは、エネルギーが乱流に効率的に分配されることを示している。