[论文解读] Ultra-high-energy cosmic rays from tidally-ignited stars

Rafael Alves Batista, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，超高速宇宙射线（UHECRs）在白矮星与中等质量黑洞（IMBHs）的潮汐撕裂事件中被加速，其中潮汐力引发核燃烧并触发类似超新星的爆炸。该机制自然产生UHECRs中的中等至重元素成分，无需依赖特定的加速模型，提供了一种模型无关的解释，并暗示与超亮X射线源的关联。

ABSTRACT

Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) can be accelerated by tidal disruption events of stars by black holes. Encounters between white dwarfs with intermediate-mass black holes (IMBHs) provide a natural environment for acceleration, as tidal forces can ignite nuclear burn and lead to a supernova explosion. The rate of these encounters can be relatively high, as the number of IMBHs may be substantially augmented once account is taken of their likely presence in dwarf galaxies. In this Letter we show that this kind of tidal disruption event naturally provides an intermediate/heavy composition for the observed UHECRs. We further argue that this mechanism is virtually model-independent, as it does not rely on any specific acceleration model. Finally, we point out a possible link between ultra-luminous x-ray and UHECR sources.

研究动机与目标

• 研究白矮星与中等质量黑洞（IMBHs）之间的潮汐撕裂事件是否能自然产生观测到的超高速宇宙射线（UHECRs）成分。
• 确定该机制是否在不依赖特定加速模型的情况下，提供与观测数据一致的成分。
• 评估超亮X射线辐射源与UHECR产生之间潜在的联系。

提出的方法

• 分析白矮星与中等质量黑洞（IMBHs）相遇的动力学过程，重点关注能压缩并点燃白矮星中核聚变的潮汐力。
• 评估由此产生的爆炸能量释放作为UHECR加速潜在来源的可能性。
• 根据矮星系中IMBHs的可能过量存在，评估此类事件的预期发生率。
• 基于被撕裂白矮星的核素成分，建立加速粒子组成的模型。
• 将预测的UHECR成分与观测数据进行比较，以检验其一致性。
• 探讨通过该机制，超亮X射线源与UHECR源之间存在物理关联的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等质量黑洞对白矮星的潮汐撕裂能否产生成分与观测一致的超高速宇宙射线？
• RQ2 该机制是否提供一种与特定加速物理无关的UHECR加速模型无关解释？
• RQ3 考虑到矮星系中IMBHs的推断丰度，此类潮汐撕裂事件的预期发生率是多少？
• RQ4 通过该机制，超亮X射线源与UHECR源之间是否存在合理的天体物理关联？

主要发现

• 中等质量黑洞对白矮星的潮汐撕裂可引发核燃烧，导致类似超新星的爆炸，从而高效地将宇宙射线加速至超高速能量。
• 由此产生的UHECRs自然表现出中等至重元素的成分，与观测数据一致。
• 该机制几乎完全模型无关，因为它不依赖于对特定加速过程或磁场构型的假设。
• 此类事件的估计发生率足够高，足以解释观测到的UHECR通量，尤其是考虑到IMBHs在矮星系中可能的普遍性。
• 通过该机制，识别出超亮X射线源与UHECR源之间潜在的物理联系，二者可能均源于IMBH相关的类似潮汐撕裂事件。