Cosmological shocks form as an inevitable consequence of gravitational collapse during the large scale structure formation and cosmic-rays (CRs) are known to be accelerated at collisionless shocks via diffusive shock acceleration (DSA). We have calculated the evolution of CR modified shocks for a wide range of shock Mach numbers and shock speeds through numerical simulations of DSA in 1D quasi-parallel plane shocks. The simulations include thermal leakage injection of seed CRs, as well as pre-existing, upstream CR populations. Bohm-like diffusion is assumed. We show that CR modified shocks evolve to time-asymptotic states by the time injected particles are accelerated to moderately relativistic energies (p/mc $\ge$ 1), and that two shocks with the same Mach number, but with different shock speeds, evolve qualitatively similarly when the results are presented in terms of a characteristic diffusion length and diffusion time. We find that $10^{-4} - 10^{-3}$ of the particles passed through the shock are accelerated to form the CR population, and the injection rate is higher for shocks with higher Mach number. The CR acceleration efficiency increases with shock Mach number, but it asymptotes to ${\~}50\%$ in high Mach number shocks, regardless of the injection rate and upstream CR pressure. On the other hand, in moderate strength shocks ($M_s {\le} 5$), the pre-existing CRs increase the overall CR energy. We conclude that the CR acceleration at cosmological shocks is efficient enough to lead to significant nonlinear modifications to the shock structures.
Shock waves form in the intergalactic medium as a consequence of accretion, merger, and turbulent motion during the structure formation of the universe. They not only heat gas but also govern non-thermal processes through the acceleration of cosmic rays (CRs), production of magnetic fields, and generation of vorticity. We examine diffusive shock acceleration of the pre-existing as well as freshly injected populations of nonthermal, CR particles at weak cosmological shocks. Since the injection is extremely inefficient at weak shocks, the pre-existing CR population dominates over the injected population. If the pressure due to pre-existing CR protons is about 5 % of the gas thermal pressure in the upstream flow, the downstream CR pressure can absorb typically a few to 10 % of the shock ram pressure at shocks with the Mach number M<3. Yet, the re-acceleration of CR electrons can result in a substantial synchrotron emission behind the shock. The implication of our findings for observed bright radio relics is discussed.
We propose semi-analytic models for the electron momentum distribution in weak shocks that accounts for both in situ acceleration and reacceleration through diffusive shock acceleration (DSA). In the former case, a small fraction of incoming electrons is assumed to be reflected at the shock ramp and pre-accelerated to the so-called injection momentum, pinj, above which particles can diffuse across the shock transition and participate in the DSA process. This leads to the DSA power-law distribution extending from the smallest momentum of reflected electrons, pref, all the way to the cutoff momentum, peq, constrained by radiative cooling. In the latter case, fossil electrons, specified by a power-law spectrum with a cutoff, are assumed to be re-accelerated from pref up to peq via DSA. We show that, in the in situ acceleration model, the amplitude of radio synchrotron emission depends strongly on the shock Mach number, whereas it varies rather weakly in the re-acceleration model.
Although most of observed properties of giant radio relics detected in the outskirts of galaxy clusters could be explained by relativistic electrons accelerated at merger-driven shocks, a few significant puzzles remain. In some relics the shock Mach number inferred from X-ray observations is smaller than that estimated from radio spectral index. Such a discrepancy could be understood, if either the shock Mach number is nder-estimated in X-ray observation due to projection effects, or if pre-existing electrons with a flat spectrum are re-accelerated by a weak shock, retaining the flat spectral form. In this study, we explore these two scenarios by comparing the results of shock acceleration simulations with observed features of the so-called Toothbrush relic in the merging cluster 1RXS J060303.3. We find that both models could reproduce reasonably well the observed radio flux and spectral index profiles and the integrated radio spectrum. Either way, the broad transverse relic profile requires additional post shock electron acceleration by downstream turbulence.
This paper describes some recent developments in our understanding of particle acceleration by shocks. It is pointed out that while good agreement now exists as to steady nonlinear modifications to the shock structure, there is. also growing evidence that the mesoscopic scales may not in fact be steady and that siginficant instabilties associated with magnetic field amplification may be a feature of strong collisionless plasma shocks.
The Toothbrush radio relic associated with the merging cluster 1RXS J060303.3 is presumed to be produced by relativistic electrons accelerated at merger-driven shocks. Since the shock Mach number inferred from the observed radio spectral index, Mradio ≈ 2.8, is larger than that estimated from X-ray observations, MX ≲ 1.5, we consider the re-acceleration model in which a weak shock of Ms ≈ 1.2 - 1.5 sweeps through the intracluster plasma with a preshock population of relativistic electrons. We find the models with a power-law momentum spectrum with the slope, s ≈ 4.6, and the cutoff Lorentz factor, γe,c ≈ 7-8×104 can reproduce reasonably well the observed profiles of radio uxes and integrated radio spectrum of the head portion of the Toothbrush relic. This study confirms the strong connection between the ubiquitous presence of fossil relativistic plasma originated from AGNs and the shock-acceleration model of radio relics in the intracluster medium.
A numerical scheme that incorporates a self-consistent cosmic-ray (CR, hereafter) injection model into the combined gas dynamics and CR diffusion-convection code has been developed. The hydro/CR code can follow in a very cos-effective way the evolution of CR modified shocks by adopting subzone shock-tracking and multi-level Adaptive Mesh Refinement techniques. The injection model is based on interactions of the suprathermal particles with self-generated MHD waves in quasi-parallel shocks. The particle injection is followed numerically by filtering the diffusive flux of suprathermal particles across the shock to upstream region according to a velocity-dependent transparency function, which represents the fraction of leaking suprathermal particles. In the strong shock limit of Mach numbers $\ge$20, significant physical processes such as the injection and acceleration seem to become independent of M, while they are sensitively dependent on M for M < 10. Although some particles injected early in the evolution continue to be accelerated to higher energies, the postshock CR pressure reaches a time asymptotic value due to balance between acceleration and diffusion of the CR particles.
Galaxy clusters are known to host many active galaxies (AGNs) with radio jets, which could expand to form radio bubbles with relativistic electrons in the intracluster medium (ICM). It has been suggested that fossil relativistic electrons contained in remnant bubbles from extinct radio galaxies can be re-accelerated to radio-emitting energies by merger-driven shocks via diffusive shock acceleration (DSA), leading to the birth of radio relics detected in clusters. In this study we assume that such bubble consist primarily of thermal gas entrained from the surrounding medium and dynamically-insignificant amounts of relativistic electrons. We also consider several realistic models for magnetic fields in the cluster outskirts, including the ICM field that scales with the gas density as $B_{ICM}{\infty}n^{0.5}_{ICM}$. Then we perform time-dependent DSA simulations of a spherical shock that runs into a lower-density but higher-temperature bubble with the ratio $n_b/n_{ICM}{\approx}T_{ICM}/T_b{\approx}0.5$. We find that inside the bubble the shock speed increases by about 20 %, but the Mach number decreases by about 15% in the case under consideration. In this re-acceleration model, the observed properties of a radio relic such as radio flux, spectral index, and integrated spectrum would be governed mainly by the presence of seed relativistic electrons and the magnetic field profile as well as shock dynamics. Thus it is crucial to understand how fossil electrons are deposited by AGNs in the ICM and how the downstream magnetic field evolves behind the shock in detailed modeling of radio relics.
Cosmological hydrodynamic simulations of large scale structure in the universe have shown that accretion shocks and merger shocks form due to flow motions associated with the gravitational collapse of nonlinear structures. Estimated speed and curvature radius of these shocks could be as large as a few 1000 km/s and several Mpc, respectively. According to the diffusive shock acceleration theory, populations of cosmic-ray particles can be injected and accelerated to very high energy by astrophysical shocks in tenuous plasmas. In order to explore the cosmic ray acceleration at the cosmic shocks, we have performed nonlinear numerical simulations of cosmic ray (CR) modified shocks with the newly developed CRASH (Cosmic Ray Amr SHock) numerical code. We adopted the Bohm diffusion model for CRs, based on the hypothesis that strong Alfven waves are self-generated by streaming CRs. The shock formation simulation includes a plasma-physics-based 'injection' model that transfers a small proportion of the thermal proton flux through the shock into low energy CRs for acceleration there. We found that, for strong accretion shocks, CRs can absorb most of shock kinetic energy and the accretion shock speed is reduced up to $20\%$, compared to pure gas dynamic shocks. For merger shocks with small Mach numbers, however, the energy transfer to CRs is only about $10-20\%$ with an associated CR particle fraction of $10^{-3}$. Nonlinear feedback due to the CR pressure is insignificant in the latter shocks. Although detailed results depend on models for the particle diffusion and injection, these calculations show that cosmic shocks in large scale structure could provide acceleration sites of extragalactic cosmic rays of the highest energy.
According to structure formation simulations, weak shocks with typical Mach number, M<3, are expected to form in merging galaxy clusters. The presence of such shocks has been indicated by X-ray and radio observations of many merging clusters. In particular, diffuse radio sources known as radio relics could be explained by synchrotron-emitting electrons accelerated via diffusive shock acceleration (Fermi I) at quasi-perpendicular shocks. Here we also consider possible roles of stochastic acceleration (Fermi II) by compressive MHD turbulence downstream of the shock. Then we explore a puzzling discrepancy that for some radio relics, the shock Mach number inferred from the radio spectral index is substantially larger than that estimated from X-ray observations. This problem could be understood, if shock surfaces associated with radio relics consist of multiple shocks with different strengths. In that case, X-ray observations tend to pick up the part of shocks with lower Mach numbers and higher kinetic energy flux, while radio emissions come preferentially from the part of shocks with higher Mach numbers and higher cosmic ray (CR) production. We also show that the Fermi I reacceleration model with preexisting fossil electrons supplemented by Fermi II acceleration due to postshock turbulence could reproduce observed profiles of radio flux densities and integrated radio spectra of two giant radio relics. This study demonstrates the CR electrons can be accelerated at collisionless shocks in galaxy clusters just like supernova remnant shock in the interstellar medium and interplanetary shocks in the solar wind.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.