Mechanizmy przyspieszania cząstek w relatywistycznych

falach uderzeniowych

Jacek NiemiecInstytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków

Fale uderzeniowe w obiektach astronomicznych

syn≈ 0.5 – 0.6↓

= 2syn + 3 ≈ 4.0 – 4.2

• obserwowane promieniowanie (synchrotronowe, ) dowodzi istnienia wysokoenergetycznych cząstek – procesówprzyspieszania

Cyg A – gorące plamy (szoki rel.)

Supernowa Keplera – szok nierel. Błyski Gamma – wewnętrznei zewnętrze szoki rel.

Krab – szok terminalny wiatru z pulsara (rel.)

1B

21 BB 2

B

1u

1,Bu1

1 2

Struktura MHD fali uderzeniowej w plazmie bezzderzeniowej (terminologia)

1 = 0o – szok równoległy

1 ≠ 0o – szok skośny

powierzchnia nieciągłości – szok

• warstwa przejściowa o grubości D~rgion,th w której zachodzą procesy dyssypatywne

wskutek oddziaływań kolektywnych w plazmie (symulacje PIC)

- tylko składowe styczne do powierzchni szoku są wzmacniane

Przyspieszanie na szokach – proces Fermiego I rzędu

dyfuzja cząstek – elastyczne rozpraszanie na statycznych niejednorodnościach

pola magnetycznego

przyrost energii cząstek adwekcję z pobliża szokucharakter generowanego widma określony przez

• formacja potęgowego widma cząstek dla szokównierelatywistycznych

p f(p) ~ (N(E) ~ E-, = -2)

E/E ~ (u1-u2)/vp

rg(E) » rgion, th(przybliżenie cząstek próbnych, )

Proces Fermiego I rzędu Nierelatywistyczne fale uderzeniowe

13

R

R

• dyfuzyjny (w przestrzeni położeń) charakter ruchu przyspieszanych cząstek w pobliżu fali• izotropowy rozkład

pu v1

2

1

uuR czynnik kompresji

• indeks widmowy nie zależy w szczególności od:- charakteru turbulencji- prędkości fali uderzeniowej (u1)

- orientacji jednorodnej składowej pola magnetycznego (1)

Proces Fermiego I rzędu Nierelatywistyczne fale uderzeniowe

13

R

R

• dyfuzyjny (w przestrzeni położeń) charakter ruchu przyspieszanych cząstek w pobliżu fali• izotropowy rozkład

pu v1

2

1

uuR czynnik kompresji

• materia nierelatywistyczna (silny szok): R = 4 = 4wartość zbliżona do dla Galaktycznych promieni kosmicznych

1B

21 BB

2B

1u

1,Bu1

1 2

cp v

cu ~ 1

cuB ~ 1,

lub

anizotropia cząstek w szoku:1

1~

• znaczny wpływ warunków w szoku na kształt generowanego widma cząstek

Proces Fermiego I rzędu Relatywistyczne fale uderzeniowe

t1 t0

2~EE

1B

2B

1u

1,Bu

1

1 2

„Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe

1

1B,1 cosΨ

uu

uB,1 < c podświetlne• możliwe odbicia cząstek od szoku → płaskie widma ( ≈ 3)

1B

2B

1u

1,Bu

1

1 2

„Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe

1

1B,1 cosΨ

uu

uB,1 > c nadświetlne

• tylko transmisja 1 → 2 dla B « B0

log n(E)

log E

rozkład za szokiem(superadiabatycznakompresja rozkładu)

rozkład przed szokiem

Dryf ExBBegelman & Kirk 1990

1B

2B

1u

1,Bu

1

1 2

„Podświetlne” i „nadświetlne” fale uderzeniowe

1

1B,1 cosΨ

uu

uB,1 > c nadświetlne

• tylko transmisja 1 → 2 dla B « B0

• dla B ≥ B0 możliwość formowania widmpotęgowych; indeks widmowy silnie zależy od warunków fizycznych w szoku

(np. u1, 1, B)

Bednarz & Ostrowski (1998)

czynnik Lorentza szoku

σUltrarelatywistyczne fale uderzeniowe

• prawie zawsze nadświetlne szoki dla 1 » 1

• czy istnieje asympotyczny indeks widmowy?

= 4.2 ( = 2.2)

Achterberg, Bednarz, Gallant, GuthmannKirk, 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)

= 2.2

zgodność z widmem synchrotronowych elektronów obserwowanych w poświatach błysków gamma

uB,1~1.4c

• indeks widmowy nie dąży do asymptotycznej wartości dla dużych czynników Lorentza 1

JN, Ostrowski (2004, 2006; & Pohl 2006)

Realistyczne modele procesu Fermiego I rzędu (symulacje Monte Carlo)

kres ≈ 2/ rg(E)

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 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) < (Eres,max)

lub

Ecutoff ~ 1mic2

Cyg A – Stawarz et al. (2007)

> 5

Chandra & VLA

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

Procesy mikrofizyczne w szokach – generacja pola magnetycznego i niedyfuzyjne przyspieszanie cząstek

• 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

Jz

D

= 2.7

v

z

Hedadal at al. 2004 (symulacje PIC)

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 rezonansowoabsorbowane przez pary, które w ten sposób zostają przyspieszonedo energii relatywistycznych jonów

• procesy przyspieszania towarzyszące formacji szoków mogąwyjaśnić obserwowane własnościterminalnych szoków w wiatrach pulsarów czy poświat błysków (operują one poniżej skali, dla którejmożliwe jest zachodzenie pr. Ferm.)

= 2.2

Proces Fermiego II rzędu w relatywistycznych falach uderzeniowych

• stochastyczne przyspieszanie cząstek – rezonansowe oddziaływanie z turbulencją Alfvenowską

E/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 ( ≤ 3 ) i generacja cząstek o bardzo wysokich energiach

Dermer & Humi 2001, Virtanen & Vainio 2005

Procesy niestandardowe – przyspieszanie związane z wielokrotną konwersją stanu ładunkowego cząstek w

pobliżu relatywistycznej fali uderzeniowejDerishev et al. 2003

• konwersja ładunku pozwala na izotropizację rozkładu cząstek

przed szokiem – przyrost energii rzędu 2 w oddziaływaniu z falą

przed szokiem za szokiem

cząstka naładowana

cząstka neutralna

-pnnp

-'

'

eeee

nukleony pary