[论文解读] Particle acceleration at the termination shock of stellar clusters' wind

Giovanni Morlino|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Aeolian processes and effects被引用 4

一句话总结

本文提出了首个关于大质量星团集体恒星风泡在终端激波处的扩散性激波特加速的自洽模型。结果表明，若粒子扩散接近玻姆型，则可实现拍电子伏（PeV）宇宙射线能量，最大能量受限于粒子从泡边界逃逸及向星团中心扩散导致的能量损失。

ABSTRACT

We investigate the process of particle acceleration at the termination shock that develops in the bubble excavated by winds of star clusters in the interstellar medium. We develop a theory of diffusive shock acceleration at such shock and we find that the maximum energy may reach the PeV region for very powerful clusters. We show how the maximum energy is limited by two different processes: the particle escape from the bubble boundary and the drop of energy gain for particles able to diffuse up to the center of the cluster. A crucial role in this problem is played by the dissipation of kinetic energy of the wind to magnetic perturbations which determines the diffusion regime of particles: in case the diffusion is close to Bohm than PeV energies can be reached.

研究动机与目标

• 研究大质量星团（MSCs）集体恒星风终端激波（TS）处的粒子加速，作为内激波或湍流的替代机制。
• 解决长期存在的问题：鉴于其高风光度和长寿命，大质量星团是否能产生拍电子伏宇宙射线。
• 建模球对称几何结构及反向激波结构（上游位于风中，下游位于泡内）对粒子加速及能量极限的影响。
• 量化磁湍流与扩散制度（柯尔莫哥洛夫、克雷奇南、玻姆）如何控制宇宙射线最大能量。
• 评估粒子从泡边界逃逸及返回星团中心在限制最大能量中的作用。

提出的方法

• 建立时间无关、球对称的宇宙射线（CRs）输运方程，考虑对流与扩散过程。
• 利用流体动力学方程建模风泡结构，推导激波半径（Rs）、泡半径（Rb）及风速度分布。
• 通过风动能耗散转化为磁湍流的能量估算湍动磁场强度与扩散系数（D），其中 D ∝ (r/Rs)^1/3。
• 采用依赖湍流注入尺度（Lc）与能量转换效率（ηB）的扩散系数模型，分三种情形：柯尔莫哥洛夫、克雷奇南与玻姆扩散。
• 数值求解输运方程以确定宇宙射线分布函数 f(r,p)，边界条件设定于激波与泡边缘。
• 定义两个关键动量：pm1（扩散至星团中心）与 pm2（从泡边界逃逸），二者共同决定能量截止。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量星团集体风终端激波能否将粒子加速至拍电子伏能量？
• RQ2 反向球对称几何结构——上游位于泡内——与标准超新星遗迹模型相比，如何改变粒子加速过程？
• RQ3 最大宇宙射线能量受何种机制限制：粒子从泡边界逃逸，还是因扩散返回星团核心导致的能量损失？
• RQ4 最大能量对扩散制度（柯尔莫哥洛夫 vs. 玻姆型）的敏感性如何，特别是在湍流风区？
• RQ5 加速宇宙射线谱相对于本地银河系宇宙射线谱的相对归一化程度如何？

主要发现

• 若粒子扩散接近玻姆型（D ∝ p^{1/3}），强大星团中可实现高达约1 PeV的宇宙射线最大能量。
• 对于柯尔莫哥洛夫型湍流，最大能量被限制在约10 TeV，远低于拍电子伏范围。
• 克雷奇南扩散制度产生中间范围的最大能量，介于10 TeV与1 PeV之间。
• 最大能量由两个竞争过程中的较小值决定：因扩散返回星团中心导致的能量损失（pm1）与从泡边界逃逸（pm2）。
• 在激波处，宇宙射线谱在 p ≲ 10 GeV/c 范围显著低于本地银河系宇宙射线谱（AMS-02外推结果），原因在于激波处风密度较低。
• 在低能区（p ≪ pm2），粒子分布函数在激波泡内近似平坦，但在高能区因逃逸与扩散损失而急剧下降。