[论文解读] Cosmic Rays, II. Evidence for a magnetic rotator Wolf Rayet star origin

Peter L. Biermann, J. P. Cassinelli|arXiv (Cornell University)|May 6, 1993

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 8

一句话总结

本文提出，磁旋Wolf-Rayet恒星可通过磁化风中的漫射激波加速机制，将宇宙射线加速至高达3 × 10^9 GeV的能量。结合发电机理论、射电超新星观测以及非热射电辐射的约束，该研究证明了其预测的磁场强度与磁驱动风模型一致，为这些恒星中存在高能粒子加速提供了间接证据。

ABSTRACT

Based on 1) a conjecture about the mean free path for particle scattering in perpendicular shock geometries, and 2) a model for Wolf Rayet star winds, we argue that explosions of Wolf Rayet stars can lead through diffusive particle acceleration to particle energies up to 3 10^9 GeV. As a test we first demonstrate that the magnetic fields implied by this argument are compatible with the dynamo limit applied to the convective interior of the main sequence stars which are predecessors of Wolf Rayet stars; second we show that this implies the same strength of the magnetic fields as is suggested by the magnetically driven wind theory. Third, we use data from radio supernovae to check the spectrum, luminosity and time dependence which suggest that the magnetic fields again have to be as high as suggested by the magnetically driven wind theory. This constitutes evidence for the magnetic field strengths required to accelerate particles to 3 10^9 GeV. Fourth, we demonstrate that within our picture the nonthermal radio emission from OB and Wolf Rayet stars can reproduce the proper radio spectra, time variability and radio luminosities. Fifth, the comparison of Wolf Rayet stars and radio supernovae suggests that electron injection into the acceleration process is a step function of efficiency with the shock speed as the independent parameter.

研究动机与目标

• 研究强磁场Wolf-Rayet恒星是否可作为高能宇宙射线的来源。
• 检验从宇宙射线加速推断出的磁场强度是否与主序前体恒星中发电机理论一致。
• 利用射电超新星和OB及Wolf-Rayet恒星的非热射电辐射的观测数据，验证预测的磁场强度。
• 评估电子注入粒子加速过程的效率随激波特性的变化。
• 确定Wolf-Rayet恒星中的磁场构型是否支持粒子加速至极高能量。

提出的方法

• 假设在垂直激波特性的粒子散射平均自由程，以模拟漫射激波加速过程。
• 应用磁驱动Wolf-Rayet恒星风模型，估算粒子加速效率。
• 将推断出的磁场强度与主序前体恒星对流内核中的发电机极限进行比较。
• 利用射电超新星的谱、光度和时间依赖性数据，约束磁场强度并验证预测。
• 分析OB和Wolf-Rayet恒星的非热射电辐射，以检验预测的谱型、变异性及光度。
• 引入电子注入效率对激波特速的阶跃函数依赖关系，以解释观测到的发射特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与磁驱动风模型一致的磁场强度下，Wolf-Rayet恒星能否将粒子加速至3 × 10^9 GeV？
• RQ2 从宇宙射线加速推断出的磁场强度是否与它们主序前体恒星中的发电机极限相容？
• RQ3 射电超新星的谱、光度和时间依赖性特征是否支持预测的磁场强度？
• RQ4 OB和Wolf-Rayet恒星的非热射电辐射是否可由所提出的加速机制解释？
• RQ5 电子注入效率是否如观测数据所暗示的那样，为激波特速的阶跃函数？

主要发现

• 实现粒子加速至3 × 10^9 GeV所需的磁场强度，与演化为Wolf-Rayet恒星的主序恒星对流内核中的发电机极限一致。
• 推断出的磁场强度与磁驱动风理论预测的磁场强度相符，提供了跨理论模型的验证。
• 射电超新星在谱、光度和时间依赖性方面的数据支持所需的磁场强度，增强了模型的可信度。
• 该模型成功再现了OB和Wolf-Rayet恒星非热辐射的观测射电谱、时间变异性及光度。
• 电子注入效率最宜用激波特速的阶跃函数描述，表明注入效率存在阈值行为。
• 多个独立的观测与理论约束在整体上的一致性，为磁旋Wolf-Rayet恒星是高能宇宙射线起源提供了强有力的间接证据。