Mechanizmy przyspieszania cząstek w relatywistycznych falach uderzeniowych

1. Mechanizmy przyspieszania cząstek w relatywistycznychfalach uderzeniowych Jacek Niemiec Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków

2. Fale uderzeniowe w obiektach astronomicznych Błyski Gamma – wewnętrzne i zewnętrze szoki rel. Supernowa Keplera – szok nierel. Krab – szok terminalny wiatru z pulsara (rel.) Cyg A – gorące plamy (szoki rel.) • obserwowane promieniowanie • (synchrotronowe, g) dowodzi istnienia • wysokoenergetycznych cząstek – procesów • przyspieszania gsyn≈ 0.5 – 0.6 ↓ a = 2gsyn + 3 ≈ 4.0 – 4.2

3. Struktura MHD fali uderzeniowej w plazmie bezzderzeniowej (terminologia) 2 1 • tylko składowe styczne do powierzchni • szoku są wzmacniane Y1 = 0o – szok równoległy Y1≠ 0o – szok skośny • powierzchnia nieciągłości – szok • warstwa przejściowa o grubościD~rgion,thw której zachodzą procesy dyssypatywne • wskutek oddziaływań kolektywnych w plazmie (symulacje PIC)

4. Przyspieszanie na szokach – proces Fermiego I rzędu (przybliżenie cząstek próbnych, ) rg(E) » rgion, th dyfuzja cząstek– elastyczne rozpraszanie na statycznychniejednorodnościach pola magnetycznego DE/E ~ (u1-u2)/vp charakter generowanego widma określony przez przyrost energii cząstek adwekcję z pobliża szoku • formacja potęgowego widma cząstek dla szoków • nierelatywistycznych a (N(E) ~ E-s , s = a -2)

5. Proces Fermiego I rzęduNierelatywistyczne fale uderzeniowe • dyfuzyjny (w przestrzeni położeń) charakter ruchu przyspieszanych cząstek • w pobliżu fali • izotropowy rozkład czynnik kompresji • indeks widmowy nie zależy w szczególności od: • charakteru turbulencji • prędkości fali uderzeniowej (u1) • orientacji jednorodnej składowej pola magnetycznego (Y1)

6. Proces Fermiego I rzęduNierelatywistyczne fale uderzeniowe • dyfuzyjny (w przestrzeni położeń) charakter ruchu przyspieszanych cząstek • w pobliżu fali • izotropowy rozkład czynnik kompresji a = 4 • materia nierelatywistyczna (silny szok): R = 4 wartość zbliżona do a dla Galaktycznych promieni kosmicznych

7. Proces Fermiego I rzędu Relatywistyczne fale uderzeniowe lub 2 1 anizotropia cząstek w szoku: • znaczny wpływ warunków w szoku • na kształt generowanego widma cząstek t1 t0

8. „Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe 2 1 • uB,1 < cpodświetlne • możliwe odbicia cząstek od szoku • →płaskie widma (a ≈ 3)

9. „Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe 2 1 • uB,1 > cnadświetlne • tylko transmisja 1 → 2 dladB « B0 Dryf ExB log n(E) rozkład za szokiem (superadiabatyczna kompresja rozkładu) Begelman & Kirk 1990 rozkład przed szokiem log E

10. „Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe 2 1 • uB,1 > cnadświetlne • tylko transmisja 1 → 2 dladB « B0 • dla dB ≥ B0 możliwość formowania widm • potęgowych; indeks widmowy silnie zależy • od warunków fizycznych w szoku • (np. u1, Y1, dB)

11. Bednarz & Ostrowski (1998) Ultrarelatywistyczne fale uderzeniowe • prawie zawsze nadświetlne szoki dlag1 » 1 • czy istnieje asympotyczny indeks widmowy? s = 2.2 a = 4.2(s = 2.2) zgodność z widmem synchrotronowych elektronów obserwowanych w poświatach błysków gamma σ Achterberg, Bednarz, Gallant, Guthmann Kirk, Ostrowski, Pelletier, Vietri, et al. • Dla skośnych szoków: • wymaga istnienia silnej turbulencji za szokiem... • Ostrowski & Bednarz (2002) • ...ale również przed szokiem – warunek niefizyczny! • JN, Ostrowski (2006, & Pohl 2006) czynnik Lorentza szoku

12. Realistyczne modele procesu Fermiego I rzędu (symulacje Monte Carlo) JN, Ostrowski (2004, 2006; & Pohl 2006) uB,1~1.4c kres ≈ 2p / rg(E) • indeks widmowy nie dąży do asymptotycznej wartości dla dużych czynników Lorentzag1

13. Proces Fermiego I rzędu w szokach relatywistycznych - wnioski • proces Fermiego nie jest efektywnym mechanizmem produkcji • wysokoenergetycznych cząstek – warunki w szokach nie pozwalają • na generację potęgowych widm cząstek w szerokim zakresie energii

14. Proces Fermiego I rzędu w szokach relatywistycznych - wnioski • proces Fermiego nie jest efektywnym mechanizmem produkcji • wysokoenergetycznych cząstek – warunki w szokach nie pozwalają • na generację potęgowych widm cząstek w szerokim zakresie energii • rg(Ecutoff) < l(Eres,max) lub • Ecutoff ~ g1mic2 a > 5 Chandra & VLA Cyg A – Stawarz et al. (2007)

15. Proces Fermiego I rzędu w szokach relatywistycznych - wnioski • proces Fermiego nie jest efektywnym mechanizmem produkcji • wysokoenergetycznych cząstek – warunki w szokach nie pozwalają • na generację potęgowych widm cząstek w szerokim zakresie energii • proces ten nie może więc być źródłem promieni kosmicznych wysokich • energii • istniejące modele teoretyczne wyjaśniają wiele cech procesów • przyspieszania, lecz nie dają możliwości realistycznego modelowania • konkretnych obiektów astronomicznych • wyniki obserwacyjne odgrywają podstawową rolę dla rozwoju teorii • postęp wymaga zastosowania w pełni samouzgodnionego, kinetycznego • opisu nieliniowego układu jaki stanowi fala uderzeniowa

16. Procesy mikrofizyczne w szokach – generacja pola magnetycznego i niedyfuzyjne przyspieszanie cząstek Jz • obecność anizotropowego rozkładu cząstek plazmy (n.p. w trakcie kolizji relatywistycznych wiązek) prowadzi do niestabilności dwustrumieniowej (Weibla) • generowane pole magnetyczne związane jest z wytworzoną włóknistą strukturą prądów • przyspieszanie elektronów na froncie warstwy przejściowej (fali uderzeniowej) elektrony jony s = 2.7 lD Hedadal at al. 2004 (symulacje PIC) gvz

17. Szoki prostopadłe w silnym polu magnetycznym Amato & Arons 2006 (symulacje PIC, plazma e+ - e- - p) • relatywistyczne jony ośrodka • obracają się wokół linii sił pola • magnetycznego za frontem fali • utworzonej w przez pary e+- e- • generowane przez jony fale • cyklotronowe są rezonansowo • absorbowane przez pary, które • w ten sposób zostają przyspieszone • do energii relatywistycznych jonów • procesy przyspieszania • towarzyszące formacji szoków mogą • wyjaśnić obserwowane własności • terminalnych szoków w wiatrach • pulsarów czy poświat błysków g • (operują one poniżej skali, dla której • możliwe jest zachodzenie pr. Ferm.) s = 2.2

18. Proces Fermiego II rzędu w relatywistycznych falach uderzeniowych • stochastyczne przyspieszanie cząstek – rezonansowe oddziaływanie • z turbulencją Alfvenowską DE/E ~ (VA/vp)2 • za frontem relatywistycznego szoku występuje silnie turbulentne pole • magnetyczne:VA ~ c • proces przyspieszania może być bardzo wydajny – możliwe płaskie • widma cząstek ( a ≤ 3 ) i generacja cząstek o bardzo wysokich energiach Dermer & Humi 2001, Virtanen & Vainio 2005

19. Procesy niestandardowe – przyspieszanie związane z wielokrotną konwersją stanu ładunkowego cząstek w pobliżu relatywistycznej fali uderzeniowej Derishev et al. 2003 • konwersja ładunku pozwala na izotropizację rozkładu cząstek • przed szokiem – przyrost energii rzędu g2 w oddziaływaniu z falą przed szokiem za szokiem cząstka naładowana cząstka neutralna pary nukleony