Repository logo

Browsing by Author "Niemiec, Jacek"

  • Thumbnail Image
    Item
    Electron injection at high mach number non-relativistic perpendicular shocks
    (Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2017) Bohdan, Artem; Niemiec, Jacek
    Powszechnie uważa się, że galaktyczny składnik promieniowania kosmicznego jest produkowany w falach uderzeniowych pozostałości po wybuchach supernowych. Paradygmat ten przyjmuje, że cząstki promieniowania kosmicznego przyspieszane są˛ w procesie dyfuzyjnej akceleracji na frontach fal uderzeniowych (Diffusive Shock Acceleration, DSA). Aby uczestniczyć w procesie DSA, cząstki muszą jednak wcześniej zostać przyspieszone do relatywistycznych energii. Jest to tak zwany problem injekcji (wrzucania) cząstek do procesów przyspieszania na szokach. Ten trudny problem w teorii DSA stanowi jedno z wciąż nierozwiązanych zagadnień. Przedmiotem badań przedstawionych w niniejszej pracy są˛ mechanizmy wrzucania elektronów w nierelatywistycznych prostopadłych szokach o dużej liczbie Macha, z zastosowaniem do szoków młodych pozostałości po supernowych. Badania prowadzone są˛ za pomocą˛ dwuwymiarowych kinetycznych symulacji numerycznych typu Particle-In-Cell (PIC) i dotyczą˛ nieliniowej struktury szoków oraz procesów wrzucania elektronów w plazmie o niskiej i umiarkowanej temperaturze (parametr beta dla plazmy βe = 5 _ 10-4 i βe = 0:5), dla różnych orientacji średniego prostopadłego pola magnetycznego względem płaszczyzny symulacji (kąty φ = 0o;45o and 90o). Odbicie jonów od fali uderzeniowej prowadzi do powstania włóknistej struktury pola magnetycznego w prekursorze fali, będącej wynikiem niestabilności Weibla, oraz wzbudzenia elektrostatycznych modów bunemanowskich w stopce szoku. We wszystkich badanych przypadkach elektrony zostają silnie przyspieszone w stopce szoku wskutek tzw. procesu serfowania na szoku (Shock- Surfing Acceleration, SSA). Efektywność tego mechanizmu, jak i następujących po nim procesów przyspieszania, silnie zależy od orientacji średniego pola magnetycznego. Dla konfiguracji z polem prostopadłym do płaszczyzny symulacji (φ = 90o) frakcja nietermicznych elektronów jest znacznie większa niż dla innych orientacji. Szoki w plazmie o umiarkowanej temperaturze wrzucaja˛ elektrony efektywniej. Dla kątów φ = 0o oraz 45o obserwuje się w prekursorze zjawisko spontanicznej turbulentnej rekoneksji magnetycznej, które umożliwia dodatkowe przyspieszanie elektronów do wysokich energii. Badania efektywności występowania rekoneksji magnetycznej wykazują silną zależność tempa produkcji wirów magnetycznych od temperatury plazmy przed szokiem. Tempo to także zmienia się w badanym zakresie parametrów numerycznych, takich jak wielkość zredukowanej masy jonów oraz orientacja średniego pola magnetycznego. Wyznaczone rozkłady energetyczne elektronów są˛ poddane szczegółowej analizie. Uzyskane wyniki omawiane są w kontekście Na podstawie uzyskanych wyników wnioskuje się także o naturze badanych procesów w pełni trójwymiarowych układach.
  • Thumbnail Image
    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, Włodzimierz
    Dżety 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 elektronów