[논문 리뷰] Scattering of energetic particles by anisotropic magnetohydrodynamic turbulence with a Goldreich-Sridhar power spectrum in the quasilinear approximation

Benjamin D. G. Chandran|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 30.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 쿼라슬라인어 이론을 사용하여 골드라이크-스리다르(Goldreich-Sridhar) 스펙트럼을 가진 비등방성 자기유체역학 난류에서 고에너지 입자의 산산조각나기 비율을 계산한다. 이는 천체물리학적 환경에서 관측되는 강한 산산조각나기와는 거리가 먼, 은하계 내 입자 확산 또는 충격 가속에 필요한 강한 산산조각나기를 설명할 수 없음을 시사한다. 이는 우주선 유동에 의해 유도되는 비-GS 불규칙성과 같은 비-GS 불규칙성에서 기인한 더 강한 산산조각나기가 필요하다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Scattering rates for a Goldreich-Sridhar (GS) spectrum of anisotropic, incompressible, magnetohydrodynamic turbulence are calculated in the quasilinear approximation. Because the small-scale fluctuations are constrained to have wave vectors nearly perpendicular to the background magnetic field, scattering is too weak to provide either the mean free paths commonly used in Galactic cosmic-ray propagation models or the mean free paths required for acceleration of cosmic rays at quasi-parallel shocks. Where strong pitch-angle scattering occurs, it is due to fluctuations not described by the GS spectrum, such as fluctuations generated by streaming cosmic rays.

연구 동기 및 목표

• 골드라이크-스리다르(GS) 스펙트럼 난류가 은하계 입자 확산에 필요한 충분한 입자 산산조각나기를 제공할 수 있는지 판단하기.
• GS-모드 난류가 은하계 입자 확산 모델에서 요구하는 평균 자유경로를 지원할 수 있는지 평가하기.
• GS 난류가 준평행 충격에서의 입자 가속에 필요한 강한 피치각 산산조각나기를 가능하게 하는지 평가하기.
• 강한 산산조각나기가 천체물리학적 환경에서 발생하는 원인을 규명하고, GS 불규칙성과 다른 원천을 대조하기.

제안 방법

• 비등방성, 비압축성 자기유체역학 난류에서 입자 산산조각나기 비율을 계산하기 위해 쿼라슬라인어 이론 적용.
• 파동 벡터가 배경 자기장에 거의 수직이 되도록 하는 골드라이크-스리다르 스펙트럼을 사용하여 소규모 불규칙성 모델링.
• 입자 에너지 및 난류의 비등방성에 따른 산산조각나기 비율 평가.
• 예측된 산산조각나기 비율을 천체입자 평균 자유경로에 대한 관측 및 모델 기반 요구 조건과 비교.
• GS 스펙트럼이 천체물리학적 환경에서 강한 산산조각나기를 설명하는 데 한계를 보임을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 골드라이크-스리다르 스펙트럼을 가진 난류가 은하계 입자 확산에 필요한 산산조각나기 비율을 제공할 수 있는가?
• RQ2 GS-모드 불규칙성이 준평행 충격에서 입자 가속에 필요한 강한 피치각 산산조각나기를 생성하는가?
• RQ3 비-GS 불규칙성은 천체입자 환경에서 강한 산산조각나기를 가능하게 하는 역할을 하는가?
• RQ4 GS 난류에서 파동 벡터의 비등방성이 입자 산산조각나기 효율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GS 스펙트럼 난류에서 유도된 산산조각나기 비율은 표준 은하계 입자 확산 모델에서 사용되는 평균 자유경로를 설명하기에 너무 약하다.
• GS 스펙트럼으로 예측된 산산조각나기 수준은 준평행 충격에서 효율적인 천체입자 가속에 필요한 강한 피치각 산산조각나기를 설명하기에 부족하다.
• 천체물리학적 환경에서 관측되는 강한 산산조각나기는 GS 스펙트럼으로 기술되지 않는 불규칙성, 예를 들어 우주선 유동에 의해 생성된 것과 같은 원인에서 기인할 가능성이 높다.
• GS 난류에서 파동 벡터의 비등방성—즉, 자기장에 거의 수직으로 정렬되어 있는 특성—이 고에너지 입자 산산조각나기 효율을 제한한다.