Mechanizmy przyspieszania cząstek w relatywistycznych falach uderzeniowych Jacek Niemiec Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków

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

Struktura MHD fali uderzeniowej w plazmie bezzderzeniowej (terminologia) 1 2 tylko składowe styczne do powierzchni szoku są wzmacniane Y1 = 0o – szok równoległy Y1 ≠ 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)

Przyspieszanie na szokach – proces Fermiego I rzędu (przybliżenie cząstek próbnych, ) rg(E) » rgion, th dyfuzja cząstek – elastyczne rozpraszanie na statycznych niejednorodnościach 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)

Proces Fermiego I rzędu Nierelatywistyczne 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)

Proces Fermiego I rzędu Nierelatywistyczne 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

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

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

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

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

a = 4.2 (s = 2.2) Ultrarelatywistyczne fale uderzeniowe Bednarz & Ostrowski (1998) Ultrarelatywistyczne fale uderzeniowe s = 2.2 prawie zawsze nadświetlne szoki dla g1 » 1 czy istnieje asympotyczny indeks widmowy? a = 4.2 (s = 2.2) σ zgodność z widmem synchrotronowych elektronów obserwowanych w poświatach błysków gamma 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

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 Lorentza g1

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) < l(Eres,max) lub Ecutoff ~ g1mic2 a > 5 Chandra & VLA Cyg A – Stawarz et al. (2007)

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 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

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

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

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