[论文解读] Time-Dependent Electron Acceleration in Pulsar-Wind Termination Shocks: Application to the 2011 April Crab Nebula Gamma-Ray Flare

John J. Kroon, Peter A. Becker+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对蟹状星云脉冲星风终止激波中电子加速的时变解析模型，整合了磁重联产生的静电加速、同步辐射能量损失以及随时间演化的粒子逃逸机制。该模型成功再现了2011年4月超级耀发的观测伽马射线光 light curve 和能谱，表明静电加速占主导地位，并使电子能够超越经典同步辐射烧毁极限，发射期间E/B比峰值约为~3。

ABSTRACT

The $\gamma$-ray flares from the Crab nebula observed by {\it AGILE} and {\it Fermi}-LAT between 2007-2013 reached GeV photon energies and lasted several days. The strongest emission, observed during the 2011 April "super-flare," exceeded the quiescent level by more than an order of magnitude. These observations challenge the standard models for particle acceleration in pulsar wind nebulae, because the radiating electrons have energies exceeding the classical radiation-reaction limit for synchrotron. Particle-in-cell simulations have suggested that the classical synchrotron limit can be exceeded if the electrons also experience electrostatic acceleration due to shock-driven magnetic reconnection. In this paper, we revisit the problem using an analytic approach based on solving a fully time-dependent electron transport equation describing the electrostatic acceleration, synchrotron losses, and escape experienced by electrons in a magnetically confined plasma "blob" as it encounters and passes through the pulsar-wind termination shock. We show that our model can reproduce the $\gamma$-ray spectra observed during the rising and decaying phases of each of the two sub-flare components of the 2011 April super-flare. We integrate the spectrum for photon energies $\ge 100\,$MeV to obtain the light curve for the event, which agrees with the observations. We find that strong electrostatic acceleration occurs on both sides of the termination shock, driven by magnetic reconnection. We also find that the dominant mode of particle escape changes from diffusive escape to advective escape as the blob passes through the shock.

研究动机与目标

• 解释蟹状星云中极端伽马射线耀发，特别是2011年4月超级耀发，其能量超出经典同步辐射烧毁极限。
• 解决标准扩散性激波加速（DSA）模型在解释观测到的高能电子分布时的失败问题。
• 建立一个捕捉时变电子输运过程的解析框架，包括静电加速、同步辐射损失以及可变逃逸机制。
• 通过物理解释的时变解，重现2011年4月耀发的光曲线与谱演化。
• 检验由激波驱动的磁重联与静电加速作为超相对论性电子加速主导机制的可行性。

提出的方法

• 求解包含静电加速、同步辐射能量损失及粒子逃逸的完全时变电子输运方程。
• 模拟等离子体团块与终止激波的相互作用，假设随时间变化的电场与磁场，与磁重联动力学一致。
• 引入两阶段粒子逃逸机制：激波穿越前为激波调控的逃逸（能量相关），穿越后为能量无关的对流逃逸。
• 利用推导出的电子分布计算同步辐射发射，并与观测到的伽马射线谱和光曲线进行比较。
• 将模型应用于2011年4月超级耀发的两个亚耀发，同时拟合其谱与时间演化。
• 通过计算光曲线与费米-LAT观测的一致性，以及E/B比与耀发亮度的关联，验证模型的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一个解析的时变模型重现2011年4月蟹状星云伽马射线耀发的观测光曲线与谱演化？
• RQ2 磁重联产生的静电加速在使电子超越经典同步辐射烧毁极限方面起到何种作用？
• RQ3 主导的粒子逃逸机制如何在终止激波处演化，其对观测发射有何影响？
• RQ4 E/B比与耀发亮度之间存在何种关系，能否解释两个亚耀发之间的差异？
• RQ5 观测到的谱与时间行为是否与由重联驱动的非理想磁流体动力学加速情景一致？

主要发现

• 该模型成功再现了2011年4月蟹状星云伽马射线耀发中两个亚耀发的观测光曲线与谱演化。
• 静电加速主导了粒子的加速过程，使电子能够超越158 MeV的经典同步辐射烧毁极限。
• 在最明亮的亚耀发期间，E/B比峰值达到~3，表明存在强烈的非理想磁流体动力学条件和高效的静电加速。
• 较暗的亚耀发具有较低的E/B比（~1.8），与加速效率降低及电子种群规模减小一致。
• 粒子逃逸机制从激波前的激波调控（能量相关）转变为激波后的对流逃逸（能量无关），其中tad ≈ vds。
• 从团块逃逸的电子对观测到的伽马射线发射贡献可忽略不计，证实发射主要来自激波后区域。