[论文解读] Supernova remnants as cosmic ray accelerators. SNR IC 443

B. Hnatyk, O. Petruk|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文研究了IC 443作为宇宙射线加速器的潜力，提出超新星遗迹激波与附近分子云的相互作用可增强质子加速及随后通过π介子衰变产生的伽马射线。三维流体动力学模型表明，反向激波和瑞利-泰勒不稳定性显著提升了宇宙射线密度与混合程度，从而产生与EGRET对2EG J0618+2234的观测一致的伽马射线通量。

ABSTRACT

We examine the hypothesis that some supernova remnants (SNRs) may be responsible for some unidentified gamma-ray sources detected by EGRET instrument aboard the Compton Gamma Ray Observatory. If this is the case, gamma-rays are produced via pion production and decay from direct inelastic collisions of accelerated by SNR shock wave ultrarelativistic protons with target protons of the interstellar medium. We develop a 3-D hydrodynamical model of SNR IC 443 as a possible cosmic gamma-ray source 2EG J0618+2234. The derived parameters of IC 443: the explosion energy E_o=2.7*10^{50} erg, the initial hydrogen number density n(0)=0.21 cm^{-3}, the mean radius R=9.6 pc and the age t=4500 yr result in too low gamma-ray flux, mainly because of the low explosion energy. Therefore, we investigate in detail the hydrodynamics of IC 443 interaction with a nearby massive molecular cloud and show that the reverse shock wave considerably increases the cosmic ray density in the interaction region. Meantime, the Rayleigh-Taylor instability of contact discontinuity between the SNR and the cloud provides an effective mixing of the containing cosmic ray plasma and the cloud material. We show that the resulting gamma-ray flux is consistent with the observational data.

研究动机与目标

• 检验超新星遗迹如IC 443可否作为高能宇宙射线来源的假设。
• 通过SNR激波中的粒子加速，解释未识别的EGRET伽马射线源2EG J0618+2234的起源。
• 研究与大质量分子云的相互作用如何改变IC 443中宇宙射线的产生与伽马射线辐射。
• 确定如瑞利-泰勒等流体动力学不稳定性是否能增强宇宙射线与混合物的混合及通量。

提出的方法

• 开发IC 443的三维流体动力学模型，以模拟激波特异传播及与致密分子云的相互作用。
• 引入反向激波特异动力学，以模拟后激波区域中宇宙射线的再加速。
• 在SNR喷出物与分子云之间的接触间断面模拟瑞利-泰勒不稳定性，以模拟湍流混合。
• 利用推导出的宇宙射线密度与靶质子密度，通过非弹性p-p碰撞（π介子产生与衰变）计算伽马射线通量。
• 使用观测参数——年龄、半径、爆发能量与周围介质密度——约束模型，并与EGRET数据对比。
• 在激波特异前方面应用能量依赖的扩散与加速效率，以估算宇宙射线能谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 IC 443的伽马射线辐射，特别是源2EG J0618+2234，能否通过SNR激波中加速的宇宙射线的强子相互作用来解释？
• RQ2 大质量分子云的存在如何影响IC 443中宇宙射线加速与伽马射线产生的效率？
• RQ3 如瑞利-泰勒不稳定性增长等流体动力学不稳定性在多大程度上增强了宇宙射线与云物质的混合？
• RQ4 为何标准SNR模型（低爆发能量）无法再现观测到的伽马射线通量，这一差异如何得以解决？
• RQ5 反向激波特异在何处增加了相互作用区域的宇宙射线密度？

主要发现

• 采用E₀ = 2.7 × 10⁵⁰ erg与n(0) = 0.21 cm⁻³的标准三维流体动力学模型对IC 443的计算结果表明，其伽马射线通量过低，无法解释EGRET观测结果。
• 反向激波特异显著提高了SNR与分子云相互作用区域的宇宙射线密度。
• SNR与云之间接触间断面的瑞利-泰勒不稳定性导致宇宙射线等离子体与云物质的有效混合。
• 反向激波特异加速与湍流混合的综合作用，产生与观测到的2EG J0618+2234通量一致的伽马射线通量。
• 该模型表明，与分子云的相互作用对解释高伽马射线光度至关重要，从而解决了标准模型中的矛盾。
• 推导出的参数——年龄t = 4500 yr，半径R = 9.6 pc，爆发能量E₀ = 2.7 × 10⁵⁰ erg——与IC 443的观测约束一致。