Investigation for the influence of inhomogeneity of the medium on cosmic ray acceleration and the feedback by accelerated cosmic rays

介质不均匀性对宇宙线加速的影响及加速宇宙线反馈的研究

基本信息

批准号：
22KJ0582
负责人：
横山将汰
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0582/
关键词：
宇宙線粒子加速衝撃波プラズマ超新星残骸

项目摘要

宇宙線とは高エネルギーの荷電粒子であり、熱的粒子や磁場などと同程度のエネルギー密度をもち、様々な天体現象に影響を及ぼす重要な宇宙の構成要素である。宇宙線は、標準的には超新星残骸における衝撃波によって加速されていると考えられているが、標準理論では説明できない観測事実もある。本研究は、標準的な粒子加速理論で考えられていなかった、衝撃波が伝播する媒質中の非一様性を考慮に入れて、非一様媒質中衝撃波による粒子加速と加速された粒子によるフィードバック機構を数値シミュレーションにより探るものである。これまでの研究により、媒質の非一様性が存在するときには、衝撃波との相互作用により、衝撃波下流に音波が生成されて、粒子が衝撃波だけでなく下流音波によっても加速されて粒子のエネルギー分布が変調されることが明らかになった。さらに昨年度は、共同研究者との議論の中で、宇宙線が初期宇宙における磁場生成や銀河間空間の加熱に寄与する可能性を発見した。宇宙線が電流を伴って流れると、抵抗性の加熱を引き起こす。この加熱が非一様になることでBiermann battery効果と呼ばれる効果で磁場が生成されるというのが磁場生成のメカニズムであり、このアイデアを論文としてまとめ、受理・出版された。さらにこの抵抗性加熱は銀河間空間の温度進化にとっても重要である。銀河間空間の温度進化を一次元的なモデルにより計算し、主要な加熱源であるＸ線との比較を行い、銀河近傍で宇宙線による抵抗性加熱が支配的となることが明らかになった。本研究成果を論文としてまとめ、翌年度に発表予定である。

宇宙射线是高能带电粒子，其能量密度可与热粒子和磁场相媲美，是影响各种天体现象的宇宙重要组成元素。一般认为宇宙射线是被超新星遗迹中的冲击波加速的，但有一些观察结果无法用标准理论来解释。本研究考虑了冲击波传播的介质中的不均匀性，这是标准粒子加速理论中未考虑的，重点研究非均匀介质中冲击波引起的粒子加速和加速粒子的反馈机制。通过数值模拟进行研究。先前的研究表明，当介质存在不均匀性时，与冲击波的相互作用会在冲击波下游产生声波，粒子不仅受到冲击波的加速，还受到下游声波的加速，这改善了粒子的能量分布。此外，去年，在与共同研究人员的讨论中，我们发现宇宙射线可能有助于早期宇宙中磁场的产生和星际空间的加热。当宇宙射线带着电流流动时，它们会引起电阻加热。磁场产生的机制是，当这种加热变得不均匀时，会通过称为比尔曼电池效应的效应产生磁场。这一想法在一篇论文中进行了总结，该论文已被接受并发表。此外，这种电阻加热对于星际空间的温度演化也很重要。使用一维模型计算星系际空间的温度演化，并将其与主要加热源X射线进行比较，发现宇宙射线的电阻加热在星系附近占主导地位。这项研究的结果将总结为一篇论文，计划于明年发表。