[論文レビュー] Standard Self-Confinement and Extrinsic Turbulence Models for Cosmic Ray Transport are Fundamentally Incompatible with Observations

Philip F. Hopkins, Jonathan Squire+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、標準的な自己閉じ込めと外部乱流モデルが、スケーリングおよび正規化の著しい不一致により、観測された宇宙線スペクトルと根本的になじまないことを示している。長年のスペクトル形状とB/C比の不一致を解消するため、散乱のフラクチュエーションは、アルフェーンエネルギーや宇宙線エネルギーに依存しない、平行波数（$k_{\|}$）に特定のべき乗則に従う外部源によって駆動されなければならないと提唱する。

ABSTRACT

Models for cosmic ray (CR) dynamics fundamentally depend on the rate of CR scattering from magnetic fluctuations. In the ISM, for CRs with energies ~MeV-TeV, these fluctuations are usually attributed either to 'extrinsic turbulence' (ET) - a cascade from larger scales - or 'self-confinement' (SC) - self-generated fluctuations from CR streaming. Using simple analytic arguments and detailed live numerical CR transport calculations in galaxy simulations, we show that both of these, in standard form, cannot explain even basic qualitative features of observed CR spectra. For ET, any spectrum that obeys critical balance or features realistic anisotropy, or any spectrum that accounts for finite damping below the dissipation scale, predicts qualitatively incorrect spectral shapes and scalings of B/C and other species. Even if somehow one ignored both anisotropy and damping, observationally-required scattering rates disagree with ET predictions by orders-of-magnitude. For SC, the dependence of driving on CR energy density means that it is nearly impossible to recover observed CR spectral shapes and scalings, and again there is an orders-of-magnitude normalization problem. But more severely, SC solutions with super-Alfvenic streaming are unstable. In live simulations, they revert to either arbitrarily-rapid CR escape with zero secondary production, or to bottleneck solutions with far-too-strong CR confinement and secondary production. Resolving these fundamental issues without discarding basic plasma processes requires invoking different drivers for scattering fluctuations. These must act on a broad range of scales with a power spectrum obeying several specific (but plausible) constraints.

研究の動機と目的

• 標準的な自己閉じ込めおよび外部乱流モデルが観測された宇宙線スペクトルと根本的になじまない理由を調査すること。
• スペクトル形状、B/C比、散乱率の正規化における不一致の根本的原因を同定すること。
• 観測された宇宙線輸送特性を再現できる磁気フラクチュエーションのための新しい駆動メカニズムのクラスを提唱すること。
• ライブ数値シミュレーションを通じて、標準モデルが主要な観測的特徴を再現できないことを示すこと。
• 既存のMHD乱流パラダイムに最小限の物理的に妥当な修正を加えることで、矛盾を解消できる方法を同定すること。

提案手法

• 自己一貫した磁場および宇宙線力学を伴う銀河スケールモデルにおけるライブ数値的宇宙線輸送シミュレーションの実施。
• 乱流スケーリングにおける臨界バランス、非等方性、および散乱下限スケールでの減衰に基づく解析的考察。
• 有限の減衰および非等方性という現実的制約下で、標準的な外部乱流モデルをテストし、誤ったスペクトルスケーリングを導くこと。
• 宇宙線エネルギー密度に依存する駆動という制約下で自己閉じ込めモデルを評価し、不安定性および物理的に不自然な結果を引き起こすこと。
• 標準的なスケーリングに基づく駆動を置き換えるために、新しい外部駆動項 $S_{\text{new, ext}} \sim (v_{A,\text{ideal}}/\ell_A) e_B (k_{\|} \, \text{au})^{\zeta_k}$ を導入し、$-0.25 \lesssim \zeta_k \lesssim -0.1$ とする。
• 新しいドライバに必要なエネルギー予算とダイナミックレンジを評価し、それがISME乱流散逸率の約1%にとどまることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な外部乱流モデルは、観測された宇宙線スペクトル形状とB/C比を再現できないのか？
• RQ2 自己閉じ込めモデルが、観測された宇宙線閉じ込めおよび二次生成を説明する上で根本的にどのような制限を受けるのか？
• RQ3 非等方性および散乱下限スケールでの有限減衰は、外部乱流モデルの妥当性にどのように影響するのか？
• RQ4 特定の波数依存性を有する新しい外部駆動メカニズムが、自己閉じ込めおよび外部乱流モデルの両方における矛盾を解消できるか？
• RQ5 どの物理的メカニズムが、$k_{\|}$ の必要なダイナミックレンジで、このような駆動項を実際に生成可能だろうか？

主な発見

• 現実的な非等方性または有限減衰を含めた場合、標準的な外部乱流モデルは、B/C比のスペクトル形状およびスケーリングに関して、定性的に誤った予測を行う。
• 非等方性や減衰がなくても、外部乱流モデルにおける必要な散乱率は観測値と桁違いに異なる。
• 自己閉じ込めモデルは、超アルフエーン流れ下で根本的に不安定であり、物理的に不自然な宇宙線の漏出または過剰な閉じ込めおよび二次生成を引き起こす。
• $S_{\text{new, ext}} \sim (k_{\|} \, \text{au})^{\zeta_k}$ および $-0.25 \lesssim \zeta_k \lesssim -0.1$ を有する新しい外部駆動メカニズムは、両モデルにおける主な矛盾を解消できる。
• 新しいドライバに必要な総エネルギーはわずか（約ISME乱流散逸率の1%）であり、物理的に妥当である。
• 新しいドライバが作用する必要がある波数範囲 $k_{\|} \sim 10^3 - 10^6$ は挑戦的だが、既知の物理的メカニズムによって実現可能である可能性がある。