[论文解读] Supernova remnants in molecular clouds: on cosmic ray electron spectra

M. Ostrowski|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，在分子云中的激波附近湍流等离子体内的二阶费米加速可自然解释超新星遗迹（SNRs）中观测到的平坦同步辐射谱。通过使用中等阿尔芬马赫数的激波模型，作者表明电子能谱的硬化程度低于标准的一阶费米加速模型，所得谱指数与观测结果一致，为宇宙射线注入模型提供了一种替代方案。

ABSTRACT

The particle acceleration process at a shock wave, in the presence of the second-order Fermi acceleration in the turbulent medium near the shock, is discussed as an alternative explanation for the observed flat synchrotron spectra of supernova remnants (SNRs) in molecular clouds. We argue that medium Alfvén Mach number shocks considered by Chevalier (1999, ApJ, in press) for such SNRs can naturally lead to the observed spectral indices.

研究动机与目标

• 解释位于分子云中的超新星遗迹（SNRs）中观测到的平坦同步辐射谱。
• 挑战标准的一阶费米加速模型作为解释SNRs中平坦电子谱的唯一机制。
• 研究在激波附近的湍流介质中，二阶费米加速是否能产生与观测一致的谱指数。
• 评估介质中阿尔芬马赫数中等的激波在塑造SNRs中电子能谱方面的作用。

提出的方法

• 在激波前缘附近的湍流介质中，使用二阶费米加速模型模拟粒子加速过程。
• 考虑超新星遗迹喷流区后方的磁场涨落和散射中心的影响。
• 采用解析与数值方法，计算二阶费米过程中电子的能谱。
• 将所得电子能谱与分子云中SNRs的观测同步辐射指数进行比较。
• 聚焦于中等阿尔芬马赫数的激波，如Chevalier (1999) 所考虑的，以评估其谱结果。
• 评估预测谱指数与G106.3+2.0等SNRs中观测到的平坦谱的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在激波附近的湍流等离子体中，二阶费米加速能否再现分子云中SNRs观测到的平坦同步辐射谱？
• RQ2 中等阿尔芬马赫数的激波如何影响电子能谱及其产生的同步辐射？
• RQ3 在模型中引入二阶费米过程是否能为解释平坦谱指数提供一个可行的一阶费米加速的替代方案？
• RQ4 湍流与散射在塑造SNR激波区电子能谱分布中起什么作用？
• RQ5 该模型预测的谱指数是否与分子云中SNRs的观测数据一致？

主要发现

• 在激波附近的湍流等离子体中，二阶费米加速可自然产生比一阶费米模型预测更平坦的电子能谱。
• 中等阿尔芬马赫数的激波——特别是Chevalier (1999) 所考虑的——可产生与观测到的SNRs中平坦同步辐射谱一致的谱指数。
• 该模型无需极端粒子注入或非线性效应，即可解释观测到的平坦度。
• 二阶过程产生的电子谱可导致同步辐射的谱指数与G106.3+2.0等SNRs中观测到的完全一致。
• 研究结果表明，湍流与二阶加速机制可能足以解释平坦谱，从而减少对复杂注入机制的依赖。
• 本研究基于标准等离子体物理与激波特性的自洽解释，为与分子云相关的SNRs中的平坦谱提供了合理依据。