[论文解读] Cosmic-ray acceleration in supernova shocks

V. Tatischeff|ArXiv.org|Apr 7, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文通过多波段观测和非线性扩散 shock加速（DSA）模型，研究了超新星（SN）激波中的宇宙射线（CR）加速。将该模型应用于SN 1993J的射电光曲线，发现最初8.5年中约15%的激波特能被转化为CR，且磁场增强使质子能量达到约3×10¹⁵ eV，表明处于星风环境中的大质量恒星是银河系CR的主要来源。

ABSTRACT

Galactic cosmic rays are widely believed to be accelerated in expanding shock waves initiated by supernova explosions. The theory of diffusive shock acceleration of cosmic rays is now well established, but two fundamental questions remain partly unanswered: what is the acceleration efficiency, i.e. the fraction of the total supernova energy converted to cosmic-ray energy, and what is the maximum kinetic energy achieved by particles accelerated in supernova explosions? Recent observations of supernova remnants, in X-rays with the Chandra and XMM-Newton satellites and in very-high-energy gamma rays with several ground-based atmospheric Cerenkov telescopes, have provided new pieces of information concerning these two questions. After a review of these observations and their current interpretations, I show that complementary information on the diffusive shock acceleration process can be obtained by studying the radio emission from extragalactic supernovae. As an illustration, a nonlinear model of diffusive shock acceleration is applied to the radio light curves of the supernova SN 1993J, which exploded in the nearby galaxy M81. The results of the model suggest that most of the Galactic cosmic rays may be accelerated during the early phase of interaction between the supernova ejecta and the wind lost from the progenitor star.

研究动机与目标

• 确定超新星激波中产生的宇宙射线的加速效率和最大能量。
• 评估超新星遗迹（SNRs）是否足以解释观测到的银河系宇宙射线亮度。
• 评估磁场增强和非线性DSA在实现高能粒子加速中的作用。
• 利用河外超新星（特别是SN 1993J）的射电光曲线作为探测DSA过程的工具。

提出的方法

• 将半解析的非线性DSA模型应用于SN 1993J的射电光曲线，以推断随时间变化的CR加速效率。
• 该模型考虑了CR反压引起的激波特性和激波结构变化，导致压缩比增加。
• 通过能量预算计算，估算总CR能量，方法为对CR能量分数ε_CR(t)在激波相互作用阶段的积分。
• 根据与观测光曲线一致的高加速率要求，推断磁场增强效应。
• 模型假设激波区域中CR能量密度与磁场能量密度达到能量均分。
• 利用SN 1993J的射电数据约束激波能量通量和CR注入效率的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于SN 1993J的射电光曲线，宇宙射线在超新星激波中的加速效率是多少？
• RQ2 结合磁场增强的非线性DSA能否解释年轻SNRs的观测射电和X射线辐射？
• RQ3 在观测到的磁场增强条件下，质子在SN激波中能被加速到的最大能量是多少？
• RQ4 超新星喷射物与前身星星风的早期相互作用阶段是否负责了大部分银河系宇宙射线的产生？
• RQ5 SNRs的观测伽马射线辐射是否可明确归因于强子过程或轻子过程？

主要发现

• SN 1993J的CR加速效率ε_CR(t)在爆发后第10天至第3100天期间从12%上升至16%，平均效率为15%。
• 在与红超巨星星风相互作用的前8.5年中，CR储存的总能量为6.8×10⁴⁹ erg，接近银河系CR亮度要求的~7.5×10⁴⁹ erg/次超新星。
• 推断激波区域的磁场增强可达到与CR能量密度均分，使质子能量加速至约3×10¹⁵ eV。
• 结果表明，早期星风相互作用阶段对CR产生至关重要，大部分能量在此约8.5年内完成处理。
• 该模型支持大质量恒星在致密星风环境中爆发是银河系宇宙射线主要贡献者的假设。
• 研究结果与非线性DSA及磁场增强作为SNRs中高能粒子加速机制的假设一致。