超相对论性喷流的模拟研究——III. FR-II 喷流处的粒子加速

我们通过蒙特卡洛模拟研究 FR-II 射电星系处超高能宇宙线（UHECRs）的加速，模拟了注入到随时间演化的喷流流中的宇宙线粒子的输运、散射与能量变化，该喷流流由相对论流体力学（RHD）模拟实现。为此，我们采用基于物理动机的磁场与粒子散射模型。通过甄别扩散激波加速（DSA）、湍流剪切加速（TSA）与相对论剪切加速（RSA）中的主要加速过程，我们发现能量 $E\lesssim1$ EeV 的宇宙线主要通过喷流主轴流及含大量激波与湍流的回流中的 DSA 获得能量。当它们达到 $E\gtrsim$ 数 EeV 后，宇宙线主要在喷流-回流界面处经由 RSA 被加速，达到远高于 $10^{20}$ eV 的能量。TSA 贡献相对较小。逃逸粒子的时间渐近能谱主要由喷流功率决定，在更强大的喷流中向更高能量偏移。UHECR 能谱很好地符合双幂律形式，其拐折能量 $E_{\rm break}$ 对应于尺度限制的最大能量。在 $E_{\rm break}$ 以下接近 $d\mathcal{N}/dE\propto E^{-0.5}$，而在 $E_{\rm break}$ 以上遵循 $d\mathcal{N}/dE\propto E^{-2.6}$，比指数形式下降更平缓。高能端的幂律斜率由跨越喷流-回流界面的非渐进剪切加速带来的能量增益以及细长茧的约束所决定。我们得出结论：巨型射电星系可能是观测到的 UHECRs 的主要贡献者。