高原文郎(大阪大学) ２０１０年１１月１６日 宇宙線研研究会 宇宙線加速に関わる 理論的課題 高原文郎(大阪大学) ２０１０年１１月１６日 宇宙線研研究会
宇宙線の起源
衝撃波粒子加速 超新星起源説 （１９５０年代初頭より） 衝撃波統計粒子加速 （１９７０年代末） 非線形問題 Bell機構 磁場増幅 超新星起源説 （１９５０年代初頭より） エネルギー収支 非熱的電波放射 （電子加速･シンクロトロン放射） 衝撃波統計粒子加速 （１９７０年代末） 普遍的べき型スペクトルの実現 最大エネルギー問題 injection問題、効率問題、電子とイオン、Pick-upイオン 非線形問題 Bell機構 磁場増幅 これは最大エネルギー問題を解決するのか？ 閉じ込め問題 宇宙線はいつ源から逃げるのか？
無衝突衝撃波 1020cm 1015cm 1012cm 109cm 105cm CR / Plasma Two-Fluid SNR radius ion gyro radius Electron skin depth CR gyro radius (E-dependent) CR mfp 1020cm 1015cm 1012cm 109cm 105cm CR / Plasma Two-Fluid CR kinetic MHD ion kinetic electron kinetic sub- shock thickness Bell mechanism DSA neutral penetration pick-up ions CR injection Weibel
非線形問題の例 Vladimirov et al. 2006
最も単純な仮説 源でのスペクトルは指数２のべきスペクトル 銀河系伝播でスペクトルは指数２．７となる 閉じ込め時間はエネルギーによらない ガンマ線スペクトルもこれに従うはず 最大エネルギーは磁場増幅などを考える 銀河系伝播でスペクトルは指数２．７となる 拡散係数はＥα （α=0.7） α=1/3 for Kolmogoroff 非等方性問題は？ 閉じ込め時間はエネルギーによらない ある時期に一斉に開放
観測の状況 GeV-TeV観測 X線観測 単純ではない leptonic vs hadronic 解釈の多義性 スペクトルの折れ曲がり GeV-10GeV 源そのものより分子雲相互作用をみている？ Energy dependent escape? X線観測 磁場増幅はありそう Bell機構だと宇宙線のジャイロ半径より小スケールなので、散乱への寄与は小さく、閉じ込めへの寄与は小さい？ 乱流磁場中の放射は一様磁場中の放射とは異なるので今後の大きな研究課題となる 宇宙線生成効率はある程度大きい（非線形問題） 膨張の力学的振舞いからの示唆 単純ではない
break at 15GeV
W44 break at 10GeV
Prediction of CR near the source Gabici et al. 2009
Prediction of gamma-ray spectra Gabici et al. 2009
源近傍での伝播 銀河宇宙線中の個々の源 宇宙線ハローの可能性 源近傍 100pc 拡散係数はどう決まるか 星間空間での乱れた磁場 ＭＨＤカスケード 宇宙線の流れによる共鳴磁場生成 磁場と宇宙線の等分配問題 宇宙線ハローの可能性 拡散係数は源近傍では星間空間より3桁程度小さい
オーダー評価 Ｌ 勾配サイズ k∝1/E （共鳴波数） δuB(k)≈(VAt/L)ucr(E) VA=100km/s, L=10pc, t=103years, ucr=10-9erg/cm3 にたいし δuB(k)=10-10erg/cm3 λ=1012cm(E/mc2) 平均自由行程 拡散係数は星間空間より何桁も低くてよい 源を離れるのはかなりの時間を要する 衝撃波が再び宇宙線を捕捉する可能性
FOT 2010
乱れた磁場中の輻射 (jitter / diffusive synchrotron) 一様磁場 視線に入る軌道は rg/γ=E/eBγ=c/Ωc ジャイロ長をみることになる Δt=(1/Ωc)(1-v/c)≈1/γ2Ωcがシンクロトロン振動数を決める ジャイロ長以下のスケールのゆらぎがあればΔtはより短くなりえる。例えば慣性長（スキンデプス）c/ωpは数桁小さい。プラズマ振動の逆コンプトンともみなしてもよい。 ジャイロ長より長いスケールのゆらぎは低振動数側のスペクトルを変形する。
Fleishman Bietenholz 2007
Ｓｕｍｍａｒｙ injection 非線形 磁場増幅 閉じ込め ＰＩＣシミュレーション 特に電子加速、Pick-upイオン 程度問題 宇宙線散乱への寄与 放射スペクトルがシンクロトロンと異なる 増幅の起こっている領域の大きさ 閉じ込め 非共鳴磁場での閉じ込め 共鳴磁場の自己生成 宇宙線ハロー