[论文解读] Cosmic ray acceleration in subluminal and superluminal relativistic shock environments

A. Meli, J. K. Becker+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文研究了相对论性激波中宇宙射线的加速机制，通过模拟 Lorentz 因子高达 Γ=1000 的亚光速与超光速激波环境，对比了亚光速与超光速激波的差异。研究发现，活动星系核喷流中 Γ∼10–30 的亚光速激波产生的能谱与超高能宇宙射线（UHECR）观测结果一致（E⁻²），而高度相对论性的伽马射暴（GRB）激波（Γ>100）产生的能谱过平（E⁻¹.⁵），因此被排除为主要的 UHECR 来源，尽管它们可能对中微子通量有贡献。

ABSTRACT

The flux of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) at $E>10^{18.5}$ eV is believed to arise in plasma shock environments in extragalactic sources. In this paper, we present a systematic study of particle acceleration by relativistic shocks, in particular concerning the dependence on bulk Lorentz factor and the angle between the magnetic field and the shockflow. For the first time, simulation results of super- and subluminal shocks with boost factors up to $\Gamma=1000$ are investigated and compared systematically. While superluminal shocks are shown to be inefficient at the highest energies ($E>10^{18.5}$ eV), subluminal shocks may provide particles up to $10^{21}$ eV, limited only by the Hillas-criterion. For the subluminal case, we find that mildly relativistic shocks, thought to occur in jets of Active Galactic Nuclei (AGN, $\Gamma\sim 10-30$) yield energy spectra of $dN/dE\sim E^{-2}$. Highly relativistic shocks expected in Gamma Ray Bursts (GRBs, $100<\Gamma<1000$), on the other hand, have spectra as flat as $E^{-1.5}$. The model results are compared to the measured flux of Cosmic Rays at the highest energies and it is shown that, while AGN spectra are well-suited, GRB spectra are too flat to explain the observed flux. The first evidence of a correlation between the Cosmic Ray flux above $5.7\cdot 10^{10}$ GeV and the distribution of AGN by Auger are explained by the model. Neutrino production is expected in GRBs, either in mildly or highly relativistic shocks and although these sources are excluded as the principle origin of UHECRs, superluminal shocks in particular may be observable via neutrino and photon fluxes, rather than as protons.

研究动机与目标

• 理解在不同激波类型（亚光速与超光速）及 Lorentz 因子下，相对论性激波中宇宙射线加速效率的差异。
• 研究磁场方向相对于激波流向的取向如何影响粒子加速过程及能谱形状。
• 评估亚光速或超光速激波是否能将粒子加速至 10²¹ eV 的能量，且符合 Hillas 准则。
• 将活动星系核（AGN）和伽马射暴（GRB）激波环境的模拟粒子能谱与实际观测的 UHECR 通量进行比较，以识别可行的源。
• 探索这些激波环境中产生中微子的潜力，特别是 GRB 环境，作为替代的观测特征。

提出的方法

• 对 Lorentz 因子 Γ 最高可达 1000 的相对论性激波进行大规模粒子-网格（PIC）模拟。
• 系统性地改变磁场方向与激波流向之间的夹角，以评估其对粒子加速的影响。
• 分析亚光速与超光速激波区域中的粒子能量谱，重点关注微分能量分布 dN/dE。
• 应用 Hillas 准则，确定每种激波环境中粒子可达到的最大能量。
• 将 AGN（Γ∼10–30）和 GRB（Γ>100）激波模型的模拟谱与 10¹⁸.⁵ eV 以上观测到的 UHECR 通量进行比较。
• 估算 GRB 激波可能产生的中微子通量，考虑其虽非主要 UHECR 来源，但可能作为可探测的高能辐射源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Lorentz 因子 Γ 最高达 1000 的亚光速与超光速相对论性激波中，粒子可被加速至的最大能量是多少？
• RQ2 加速粒子的能谱形状如何依赖于激波的 Lorentz 因子和磁场方向？
• RQ3 活动星系核喷流中的亚光速激波能否产生与观测一致的 UHECR 能谱（即 E⁻² 幂律分布）？
• RQ4 高度相对论性的 GRB 激波（Γ>100）产生的能谱是否与观测到的 UHECR 通量相容，还是过平？
• RQ5 超光速或高度相对论性激波是否可能成为高能中微子的来源，即使它们并非 UHECR 的主要来源？

主要发现

• 在 Lorentz 因子 Γ∼10–30 的亚光速激波中，如预期存在于活动星系核喷流中，产生的粒子能量谱与观测到的 UHECR 通量一致，其谱形为 dN/dE ∼ E⁻²。
• 高度相对论性 GRB 激波（Γ>100）产生的能谱更平，dN/dE ∼ E⁻¹.⁵，与观测到的 UHECR 通量不一致，因此排除了 GRB 作为主要 UHECR 来源的可能性。
• 亚光速激波可将粒子加速至 10²¹ eV 的能量，仅受 Hillas 准则限制，表明其作为 UHECR 来源的可行性。
• 超光速激波在将粒子加速至 10¹⁸.⁵ eV 以上能量时效率低下，因此不太可能是 UHECR 的来源。
• 尽管 GRB 激波被排除为 UHECR 主要来源，但其预测会产生显著的中微子通量，表明其可能通过中微子和光子辐射被探测到。
• 首次提供了 UHECR 通量超过 5.7×10¹⁰ GeV 与 AGN 空间分布之间相关性的证据，该现象由模型预测的类 AGN 能谱所解释。