[論文レビュー] Time dependent cosmic-ray shock acceleration with self-consistent injection

U. D. J. Gieseler, T. W. Jones+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、波-粒子相互作用を用いて注入を制御する、プラズマ物理学に基づく注入を有する時間依存的宇宙線衝撃加速の自己整合的数値モデルを提示する。注入は約10⁻³の熱粒子に安定化し、強衝撃では安定状態に達するまでの間に約20%の加速効率に達する。これは、宇宙線衝撃力学における効果的な自己調整を示している。

ABSTRACT

One of the key questions to understanding the efficiency of diffusive shock acceleration of the cosmic rays (CRs) is the injection process from thermal particles. A self-consistent injection model based on the interactions of the suprathermal particles with self-generated magneto-hydrodynamic waves has been developed recently by Malkov (1998, Phys. Rev. E 58, 4911). By adopting this analytic solution, a numerical treatment of the plasma-physical injection model at a strong quasi-parallel shock has been devised and incorporated into the combined gas dynamics and the CR diffusion-convection code. In order to investigate self-consistently the injection and acceleration efficiencies, we have applied this code to the CR modified shocks of both high and low Mach numbers (M=30 and M=2.24) with a Bohm type diffusion model. We find the injection process is self-regulated in such a way that the injection rate reaches and stays at a nearly stable value after quick initial adjustment. For both shocks about 0.1% of the incoming thermal particles are injected into the CRs. For the weak shock, the shock has reached a steady state within our integration time and about 10% of the total available shock energy is transfered into the CR energy density. The strong shock has achieved a higher acceleration efficiency of about 20% by the end of our simulation, but has not yet reached a steady-state.

研究の動機と目的

• プラズマ物理学に基づく、恣意的仮定を用いない宇宙線注入の自己整合的モデルの構築を目的とする。
• 波-粒子相互作用が熱粒子の宇宙線集団への注入をどのように制御するかを調査することを目的とする。
• 現実的な注入と拡散（ボーム型）を考慮した時間依存的衝撃加速のシミュレーションを、強衝撃および弱衝撃の両方に対して実施することを目的とする。
• 衝撃から宇宙線へのエネルギー移動効率と、衝撃構造へのフィードバックの評価を目的とする。
• 宇宙線優位状態への長期的進化と、現在の計算手法の限界を探索することを目的とする。

提案手法

• 自己生成アルヴェーン波を介した超熱粒子注入のためのMalkovの解析解を採用する。
• ガス力学と宇宙線拡散・拡散輸送を組み合わせたコードに、注入モデルを統合する。
• 空間グリッド分解能を十分に細かくし、近似的に熱的運動量拡散（p²に比例）を捉えるボーム型拡散モデルを用いる。
• マッハ数M = 30（強衝撃）およびM = 2.24（弱衝撃）の準平行衝撃に対して、時間依存シミュレーションを実施する。
• 最大運動量p_max/m_p c ≈ 1に達するまで、位相空間分布関数g(x,p)の時間発展を追跡する。
• 将来、適応的メッシュ細分化（AMR）を用いたシミュレーションを拡張し、より高い宇宙線運動量および長い時間スケールに到達することを計画する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己整合的波-粒子相互作用注入が、衝撃における宇宙線加速の時間的進化にどのように影響するか？
• RQ2 その結果得られる注入効率は何か？ そして、時間経過とともに安定化するか？
• RQ3 衝撃強度（マッハ数）に応じて、衝撃から宇宙線へのエネルギー移動効率はどのように変化するか？
• RQ4 宇宙線フィードバックおよび波生成が、注入プロセスをどの程度制御するか？
• RQ5 特に斜め衝撃において、純粋に運動論的注入モデルと比較して、結果はどのように異なるか？

主な発見

• 注入プロセスは自己調整され、初期の一時的遷移期を経て、ほぼ安定した率に達し、維持される。
• 強衝撃および弱衝撃の両方において、到着する熱粒子の約10⁻³が宇宙線集団に注入される。
• 弱衝撃（M = 2.24）は、シミュレーション時間スケール内で安定状態に達し、衝撃利用可能エネルギーの約10%が宇宙線に移動する。
• 強衝撃（M = 30）は約20%の加速効率に達するが、まだ安定状態に達していないため、宇宙線圧力の継続的増大が示唆される。
• 初期段階では粒子がやや相対論的である間、宇宙線圧力は支配的でないため、完全な衝撃構造変化は防がれる。
• 本モデルは、将来の適応的メッシュ細分化（AMR）を用いたシミュレーションが、宇宙線優位状態への長期的進化を解明するために不可欠であると示唆している。