Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)
Permanent URI for this collection
Browse
Browsing by Author "Bednarek, Włodzimierz"
Results Per Page
Sort Options
Item Particle acceleration and heating in mildly-relativistic magnetized shocks(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2020) Arianna, Ligorini; Niemiec, Jacek; Nalewajko, Krzysztof; Bednarek, WłodzimierzDżety aktywnych jąder galaktyk i błyski gamma emitują silne promieniowanie elektromagnetyczne wysokich energii i są głównymi kandydatami na źródła promieni kosmicznych najwyższych energii. Często przyjmuje się, że przyspieszenie cząstek w dżetach zachodzi w relatywistycznych falach uderzeniowych. Szoki te sa˛ zwykle zmagnetyzowane i quasi-prostopadłe (ponadświetlne). Ich fizyka jest dość dobrze z badana w reżimie ultrarelatywistycznym, natomiast fale średnio relatywistyczne są mało poznane. Celem niniejszej rozprawy jest badanie średnio relatywistycznych szoków w zmagnetyzowanej plazmie elektronowo-protonowej za pomocą symulacji kinetycznych typu cząstka w komórce. Zastosowane symulacje wielkiej skali odznaczają się bardzo wysoką rozdzielczością i wykonane zostały dla warunków typowych dla wewnętrznych szoków w rdzeniach blazarów. Uwzględniają one efekty w skali jonowej, które prowadzą do pofałdowania powierzchni szoku, i wykonywane są w dwóch wymiarach dla dwóch różnych konfiguracji średniego prostopadłego pola magnetycznego, które znajduje się w płaszczyźnie symulacji lub tworzy z nią kąt 90°. W moich badaniach skupiłam się na procesach grzania i przyspieszania cząstek, które skutkują przekazem energii od protonów do elektronów w fali uderzeniowej. Moje wyniki pokazują, że synchrotronowa niestabilność maserowa zachodzi w średnio relatywistycznych szokach zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi i generuje emisję spójnych fal elektromagnetycznych rozchodzących się przed szokiem. Pofałdowania powierzchni fali są wzbudzane dla obu konfiguracji średniegopola, wzmacniając te fale. Ich oddziaływanie z plazmą z przodu fali generuje fale elektrostatyczne, które przyspieszają elektrony w procesie WFA. Proces ten nie jest jednak wydajny, a transfer energii odbywa się głównie w szoku i w obszarze za szokiem, gdzie procesy grzania elektronów odbiegają od adiabatycznej kompresji w szoku. Po raz pierwszy pokazuję, że pofałdowanie szoku ma kluczowe znaczenie dla nieadiabatycznych procesów przyspieszania elektronów. Przekaz energii proton-elektron zachodzi znacznie poniżej warunku ekwipartycji, niezależnie od konfiguracji średniego pola magnetycznego. Widma energii elektronów z tyłu szoku są bliskie rozkładom termicznym, choć występują również składowe ponadtermiczne w ograniczonym zakresie energii. Moje wyniki pokazują, że proces WFA w średnio relatywistycznych zmagnetyzowanych szokach dżetów aktywnych galaktych nie może być źródłem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Ograniczony poziom sprzężenia elektron-proton stoi w sprzeczności z leptonowymi modelami emisji blazarów w ramach scenariusza średnio relatywistycznych szoków wewnętrznych, chyba że obecność składowej pozytronowej może znacznie wspomóc transfer energii protonów do elektronówItem Particle acceleration in magnetised mildly relativistic shocks(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Torralba Paz, Gabriel; Niemiec, Jacek; Bednarek, Włodzimierz; Nalewajko, Krzysztof; Stawarz, ŁukaszW niniejszej rozprawie, z wykorzystaniem w pełni kinetycznych symulacji typu particle-in-cell (PIC), badane są średnio relatywistyczne fale uderzeniowe w silnie zmagnetyzowanej, bezzderzeniowej plazmie o skośnej konfiguracji zewnętrznego pola magnetycznego. Tego rodzaju fale uderzeniowe mogą występować w relatywistycznych wypływach plazmy, w tym w dżetach aktywnych jąder galaktyk oraz mikrokwazarów, które są znanymi źródłami promieniowania nietermicznego i powszechnie uznawane są za potencjalne miejsca przyspieszania wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Wcześniejsze badania wykazały, że o ile dyfuzyjne przyspieszanie na fali uderzeniowej jest efektywne w słabo zmagnetyzowanych falach podświetlnych, a przyspieszanie typu wakefield zachodzi głównie w reżimie ultrarelatywistycznym, o tyle oba te mechanizmy wydają się nieefektywne w średnio relatywistycznych, silnie zmagnetyzowanych plazmach. Niniejsza praca bada zatem, czy w tych dotąd nieeksplorowanych warunkach mogą działać alternatywne mechanizmy efektywnego grzania i przyspieszania cząstek. W ramach niniejszej rozprawy przeprowadzono wysokiej rozdzielczości wielkoskalowe symulacje PIC w konfiguracji 2D3V z wykorzystaniem kodu THATMPI, który został na potrzeby pracy gruntownie zoptymalizowany i rozszerzony o nowe funkcjonalności. Symulacje obejmują fale uderzeniowe o współczynniku Lorentza γ0~2.24, rozchodzące się w plazmie o dużej magnetyzacji, σ = 1. Analizowano trzy konfiguracje pola magnetycznego: skośną falę nadświetlną (θBn=40°), skośną falę podświetlną (θBn=30°) bliską kąta progowego rozdzielającego konfiguracje nadświetlne i podświetlne oraz falę quasi-równoległą (θBn=10°). Skośne fale uderzeniowe mają strukturę impulsów magnetosonicznych o dużej amplitudzie, która stopniowo maleje wraz z odległością od frontu fali. Impulsy te są związane z potencjałami elektrostatycznymi o stromych gradientach. Ich struktura przypomina słabe, nierelatywistyczne, subkrytyczne fale uderzeniowe obserwowane w przestrzeni kosmicznej. Badane fale są z natury niestacjonarne i rozwijają silne poprzeczne niejednorodności, co umożliwia odbicie i pułapkowanie cząstek w obrębie impulsów magnetosonicznych. W konfiguracji podświetlnej bliskiej kąta progowego prowadzi to do efektywnego grzania i przyspieszania zarówno elektronów, jak i jonów. Mechanizm akceleracji jest analogiczny do procesu pułapkowania i przyspieszania elektronów opisanego wcześniej dla fal nierelatywistycznych, lecz w przypadku fal średnio relatywistycznych działa dla obu rodzajów cząstek i cechuje się znacznie wyższą wydajnością dzięki założonej silniejszej magnetyzacji i większej prędkości fali uderzeniowej. W przypadku podświetlnym elektrony o wysokich energiach tworzą widmo potęgowe o indeksie p~2, ograniczone obcięciem wyznaczonym przez szerokość fali uderzeniowej, która skaluje się ze współczynnikiem Lorentza, amplitudą fali i stosunkiem masy jon-elektron. Efektywność przyspieszania jonów w ramach tego mechanizmu jest mniejsza o około dwa rzędy wielkości. Niektóre jony pokonują potencjał fali uderzeniowej i przemieszczają się w obszar przed frontem fali, gdzie ulegają dalszemu przyspieszaniu w procesie serfowania na fali (shock surfing acceleration). Fala quasi-równoległa ma wyraźnie odmienną strukturę. Jest ona subkrytyczna względem krytycznej liczby Macha dla fal świstu i tworzy rozległy prekursor wypełniony dyspersyjnymi falami świstu (whistlers) o dużej amplitudzie. Oddziaływanie jonów i elektronów z tymi falami w prekursorze, a także z modami falowymi wynikającymi z ich nieliniowej dynamiki, prowadzi do silnego grzania obu rodzajów cząstek. Ogólnie wyniki badań wykazują, że silnie zmagnetyzowane, średnio relatywistyczne skośne fale uderzeniowe mogą efektywnie przyspieszać cząstki w procesie odmiennym od dyfuzyjnego przyspieszania na fali uderzeniowej oraz przyspieszania typu wakefield. Choć widma cząstek są formowane w ograniczonym zakresie energii, proces ten zapewnia znaczący przyrost energii i może pełnić rolę efektywnego mechanizmu wstępnego wrzucania cząstek do dalszych procesów przyspieszania. Wyniki te podkreślają znaczenie niestacjonarności fal uderzeniowych oraz efektów wielowymiarowych i stanowią motywację dla przyszłych badań z wykorzystaniem w pełni trójwymiarowych symulacji. Oprócz symulacji PIC, niniejsza rozprawa wprowadza nowatorskie podejście oparte na sieciach neuronowych do analizy trajektorii wybranych cząstek śledzonych w symulacjach kinetycznych. W celu oceny przydatności tego podejścia wykorzystano dane śledzonych cząstek z symulacji badających przyspieszanie elektronów w falach wzbudzanych przez niestabilność Bunemana w szokach o dużej liczbie Macha. Zastosowano trzy klasy algorytmów: klasyfikację, regresję oraz detekcję anomalii. Wyniki pokazują, że sieci neuronowe mają duży potencjał do usprawnienia i przyspieszenia analizy trajektorii śledzonych cząstek w kinetycznych symulacjach plazmy.
