[論文レビュー] Spallative Nucleosynthesis in Supernova Remnants. I. Analytical Estimates

Ètienne Parizot, L. O’C. Drury|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 1998

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、超新星残骸（SNR）におけるスパラレーション反応によるケイ素（Be）生成を調査し、前進波および逆方向波で加速する高エネルギー粒子（EPs）に注目する。SNRの衝撃波ダイナミクスと粒子加速の解析的モデルを用いて、標準的モデルでは、はく星における観測されたBeの同位体比を説明できないことが判明した。これは、CNO核の選択的加速、再考が必要なO/Fe相関、または未知のエネルギー源の存在を示唆する。

ABSTRACT

Spallative nucleosynthesis is thought to be the only process capable of producing significant amount of Beryllium (Be) in the universe. Therefore, both energetic particles (EPs) and nuclei to be spalled (most efficiently C, N and O nuclei in this case) are required, which indicates that supernovae (SNe) may be directly involved in the synthesis of the Be nuclei observed in the halo stars of the Galaxy. We apply current knowledge relating to supernova remnant (SNR) evolution and particle shock acceleration to calculate the total Be yield associated with a SN explosion in the interstellar medium, focusing on the first stages of Galactic chemical evolution (i.e. when metallicity Z < 0.01 Z_odot) We show that dynamical aspects must be taken into account carefully, and present analytical calculations of the spallation reactions induced by the EPs accelerated at both the forward and the reverse shocks following the SN explosion. Our results show that the production of Be in the early Galaxy is still poorly understood, and probably implies either selective acceleration processes (greatly favouring CNO acceleration), reconsideration of the observational data (notably the O vs. Fe correlation), or even new energy sources.

研究の動機と目的

• 超新星残骸（SNR）がスパラレーション核合成によってケイ素（Be）を生成する役割を評価すること。
• 標準的なSNR衝撃波加速メカニズムが、はく星における観測されたBeの同位体比を説明できるかどうかを評価すること。
• 金属量が低い初期銀河化学進化（Z < 0.01 Z_sun）におけるBe生成に関して、現在のモデルの欠陥を特定すること。
• 理論と観測を一致させるために、CNO核の選択的加速または観測相関の再評価が必要かどうかを検討すること。

提案手法

• 前進波および逆方向波のダイナミクスを含む、超新星残骸（SNR）の進化の解析的モデリング。
• 衝撃波における粒子加速理論を組み込み、高エネルギー粒子（EPs）のフラックスを推定すること。
• C、N、O核がEPsと衝突してBeを生成するスパラレーション断面積を計算すること。
• 時間に依存する衝撃波パラメータを用いて、初期銀河化学進化段階におけるスパラレーション生成量の進化をモデル化すること。
• 標準的なSNR衝撃波モデルを適用し、1回の超新星爆発あたりの総Be生成量を推定すること。
• 理論的Be生成量と金属不足のはく星における観測されたBe/H比を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な超新星残骸衝撃波加速プロセスは、はく星における観測結果に一致する十分なケイ素を生成できるか？
• RQ2 なぜ現在のモデルでは、初期銀河における観測されたケイ素対鉄比を再現できないのか？
• RQ3 はく星における酸素と鉄の観測相関は、スパラレーション駆動のBe生成と整合的か？
• RQ4 CNO核の選択的加速が、理論的と観測されたBe生成量の差を説明できるか？
• RQ5 Be生成問題を解消するために、代替のエネルギー源や粒子加速モデルの修正が求められるか？

主な発見

• 1回の超新星爆発によるスパラレーション反応によるケイ素生成量は、金属不足のはく星における観測されたBe/H比を説明するには不十分である。
• 標準的な衝撃波加速モデルでは、特に金属量が低い場合（Z < 0.01 Z_sun）に観測されたBe同位体比を説明するのに十分な高エネルギー粒子が生成されない。
• SNRの動的進化、特に前進波から逆方向波への遷移を正確にモデル化することが、スパラレーション生成量の正確な推定に不可欠である。
• Be生成の不一致は、CNO核が他の元素よりも選択的に加速されているか、はく星におけるO/Fe相関の再評価が必要であることを示唆している。
• 結果として、理論的予測と観測データの一致を図るには、新たな加速メカニズムまたは追加のエネルギー源の導入が求められる可能性がある。