Acceleration mechanisms 2: force-free reconnection

Stirling A. Colgate; Hui Li

doi:10.1016/j.crhy.2004.04.002

Acceleration mechanisms 2: force-free reconnection
[Mécanismes d'accélération 2 : reconnexion de champs sans force]

Présenté par : Pierre Encrenaz

Stirling A. Colgate ¹ ; Hui Li ¹

¹ MS 227, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM 87545, USA

Comptes Rendus. Physique, Ultimate energy particles in the Universe, Volume 5 (2004) no. 4, pp. 431-440.

Résumé
Abstract

Nous proposons une vision non conventionnelle de l'origine de la plupart des rayons cosmiques dans l'univers. Notre idée est que pratiquement tout rayon cosmique ayant subi une accélération est issu du courant parallèle qui entretient tout champ magnétique sans force (force-free, f-f). Les particules chargées sont accélérées par le champ électrique E_∥ produit par la reconnexion parallèle au champ magnétique $B$ . L'énergie totale qui en résulte pour les rayons cosmiques extra-galactiques est $\sim 10^{60}$ ergs par volume moyen extra-galactique correspondant à une galaxie. Cette énergie totale est assez importante. Elle est environ 10⁵ fois plus élevée que l'énergie transportée par les rayons cosmiques ou l'énergie magnétique dans la galaxie mère. Nous proposons comme seule source crédible d'énergie celle de formation de trous noirs super-massifs, $\sim 10^{62}$ ergs, au centre de galaxies. Nous présentons un mécanisme de dynamo efficace qui transforme l'énergie libre gravitationnelle en énergie magnétique dans le disque d'accrétion d'un trou noir. Grâce à l'enroulement keplerien, cette dynamo transforme un champ-germe poloidal en champs f-f (sans force), qui en fin de compte sont transportés vers le milieu inter-galactique. Cette énergie magnétique doit également être convertie en énergie cinétique avec un bon rendement, comme tendrait à le prouver le rayonnement émis par les particules énergétiques. Vus sous cet angle, les rayons cosmiques des milieux inter-galactiques résultent de la dissipation continue de cette énergie libre dans le temps de Hubble. Cette énergie sert à leur accélération in situ par les champs f-f confinés aux parois super-galactiques et aux filaments des structures à grande échelle. De plus, les rayons cosmiques d'énergies extrêmes disparaissent par diffusion à des échelles de temps inférieures à celles de l'atténuation par le mécanisme GZK, à savoir $\sim 10^{8}$ années. De même, nous pensons que l'accélération des rayons cosmiques galactiques peut être due à des mécanismes puissants tels que l'enroulement du champ par l'énergie de rotation du disque galactique ou des étoiles à neutrons magnétisées, ou l'enroulement keplerien des disques de formation stellaires.

We suggest an unconventional view of the origin of most cosmic rays (CRs) in the universe. We propose that nearly every accelerated CR was part of the parallel current that maintains all force-free (f-f) magnetic fields. Charged particles are accelerated by the electric field E_∥ produced by reconnection parallel to the magnetic field $B$ . The inferred total energy in extragalactic cosmic rays is $\sim 10^{60}$ ergs per galaxy spacing volume, provided that the assumed acceleration mechanisms do not preferentially only accelerate ultra high energy cosmic rays (UHECRs). This total energy is quite large, about 10⁵ times the parent galactic CR or magnetic energy. We argue that the formation energy of supermassive black holes (SMBHs) at galaxy centers, $\sim 10^{62}$ ergs, becomes the only feasible source. We propose an efficient dynamo process which converts gravitational free energy into magnetic energy in an accretion disk around a SMBH. Aided by Keplerian winding, this dynamo converts a poloidal seed field into f-f fields, which are transported into the general intergalactic medium (IGM) eventually. This magnetic energy must also have been efficiently converted into particle energies, as evidenced by the radiation from energetic particles. In this view CRs of the IGM are the result of the continuing dissipation, in a Hubble time, of this free energy, by acceleration in situ within the f-f fields confined within the super-galactic walls and filaments of large scale structures. In addition, UHECRs are diffusively lost to the galactic voids at time scales below the GZK attenuation time, $\sim 10^{8}$ years. Similarly, within the galaxy we expect that the winding by the disk rotation of the galaxy, by the rotation energy of magnetized neutron stars, and by the Keplerian winding of star formation disks are efficient sources of f-f magnetic field energy and hence the sources of galactic CR acceleration.

Publié le : 2004-04-30

DOI : 10.1016/j.crhy.2004.04.002

Keywords: UHE cosmic rays, Acceleration mechanisms, Force-free reconnection
Mots-clés : Rayons cosmiques d'énergies extrêmes, Mécanismes d'accélération, Reconnexion de champs sans force

Affiliations des auteurs :

Stirling A. Colgate ¹ ; Hui Li ¹

¹ MS 227, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM 87545, USA

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Stirling A. Colgate; Hui Li. Acceleration mechanisms 2: force-free reconnection. Comptes Rendus. Physique, Ultimate energy particles in the Universe, Volume 5 (2004) no. 4, pp. 431-440. doi : 10.1016/j.crhy.2004.04.002. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2004.04.002/

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