[论文解读] Cosmic Rays, III. The CR spectrum between 1 GeV and 10^4 GeV and the radio emission from supernova remnants

Peter L. Biermann, R. G. Strom|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 1993

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一种超新星遗迹中宇宙射线的激波加速模型，结合了扩散、对流、绝热冷却以及磁场拓扑结构，以重现观测到的宇宙射线能谱。该模型预测由于银河系盘面泄漏导致能谱指数为E⁻².⁷⁵，并通过几何效应解释了较重核素的能量依赖性截止，与1 GeV至10⁴ GeV之间的观测结果一致。

ABSTRACT

We develop a theory to account for the cosmic ray spectrum between 1 GeV and 10^4 GeV following the earlier papers of this series. We use the basic concept that the cosmic ray particles are accelerated in a supernova shock that travels through the interstellar medium. Physically important ingredients besides the presence of a strong shock are diffusion, drifts, convection, adiabatic cooling, the injection history, and the topology of the magnetic field, here assumed for simplicity to be homogeneous in the interstellar medium. The result is a spectrum, which for strong shocks in a gas with adiabatic index 5/3 yields a spectrum of E^-2.42. Interstellar turbulence with a Kolmogorov spectrum then leads by leakage from the galactic disk to a spectrum which is E^-2.75, as observed. We argue that the ratio of cosmic ray electrons to protons is determined by the amount of expansion which takes place from the cessation of electron injection to the break-up of the shell by cooling instabilities. Since the highest particle energy reached derives from geometrical arguments, it depends on the charge of the nucleus and so higher Z elements are predicted to reach higher energies.

研究动机与目标

• 通过超新星激波中粒子加速的物理模型，解释1 GeV至10⁴ GeV之间观测到的宇宙射线能谱。
• 通过银河系盘面泄漏解释观测到的宇宙射线能谱在E⁻².⁷⁵处的谱软化现象。
• 基于注入停止后的膨胀动力学，确定宇宙射线中电子与质子比的起源。
• 基于几何与电荷依赖效应，解释为何较重核素在宇宙射线能谱中达到比轻核素更高的最大能量。
• 将超新星遗迹的射电辐射与潜在的宇宙射线加速和输运过程联系起来。

提出的方法

• 使用具有强激波的扩散性激波加速模型，在绝热指数为5/3的介质中推导初始能谱。
• 在均匀星际介质中引入扩散、对流、绝热冷却以及磁场拓扑结构等物理过程。
• 采用Kolmogorov型湍流谱来模拟粒子从银河系盘面的逃逸，导致能谱软化。
• 引入时间依赖的注入历史，并考虑冷却不稳定性引起的壳层破裂，以确定电子与质子比。
• 通过几何论证表明最大能量与核素电荷成正比，预测较重核素具有更高的能量。
• 通过相对论电子的同步辐射，将所得粒子能谱与超新星遗迹的可观测射电辐射联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 超新星遗迹中的哪些物理过程产生了1 GeV至10⁴ GeV之间观测到的宇宙射线能谱？
• RQ2 为何宇宙射线能谱在GeV至TeV能量范围内软化至E⁻².⁷⁵，这与粒子逃逸有何关联？
• RQ3 宇宙射线中电子与质子比如何由遗迹的膨胀与冷却历史决定？
• RQ4 为何较重核素在宇宙射线能谱中达到比轻核素更高的最大能量？
• RQ5 超新星遗迹的射电辐射在多大程度上能通过预测的宇宙射线电子能谱得到解释？

主要发现

• 该模型预测强激波在绝热指数为5/3的气体中产生的初级宇宙射线能谱为E⁻².⁴²。
• 由于Kolmogorov型湍流导致的银河系盘面泄漏，产生E⁻².⁷⁵的软化能谱，与观测结果一致。
• 电子与质子比由注入停止后至壳层破裂的膨胀 timescale 决定。
• 较重核素因几何约束和电荷依赖的加速效率而达到更高的最大能量。
• 该模型成功通过相对论电子的同步辐射，将宇宙射线能谱与超新星遗迹的射电辐射联系起来。
• 预测的能谱与射电辐射在1 GeV至10⁴ GeV能量范围内与观测数据一致。