Particle acceleration and heating in mildly-relativistic magnetized shocks

Abstract

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

Jets of Active Galactic Nuclei (AGN) and gamma-ray bursts emit strong high energy electromagnetic radiation and are the main candidates for sources of ultra high-energy cosmic rays. Particle acceleration is often assumed to take place at relativistic shocks in the jets. These shocks are typically magnetized and mostly quasi perpendicular (superluminal). Their physics have been extensively studied in the ultra relativistic regime, and mildly relativistic shocks are poorly explored. The aim of this dissertation is to investigate mildly relativistic shocks in magnetized electron-proton plasma with unprecedentedly high-resolution and large-scale kinetic particle-in-cell (PIC) simulations, for conditions typical for internal shocks in blazar cores. The simulations take into account ion-scale effects that cause corrugations along the shock surface. They are performed in two dimensions (2D) for two different configurations of the mean perpendicular magnetic field that is either in- or out- of the simulation plane. The focus of my studies inon particle heating and acceleration that results in the proton-to-electron energy transfer in the shock. My results show that the synchrotron maser instability persists to operate in mildly relativistic shocks in agreement with theoretical predictions and produces coherent emission of upstream-propagating electromagnetic waves. Shock front ripples are excited in both mean field configurations and they engender effective wave amplification. The action of these waves with plasma generates electrostatic wake-fields in the shock upstream that act to energise electrons. The wakefield acceleration (WFA) is not efficient and the majority of the energy transfer takes place in the shock and downstream, where the electron heating proceeds beyond adiabatic compression at the shock. I for the first time demonstrate that the shock rippling is crucial for the electron non-adiabatic energisation processes in the shock. The resulting ion-to-electron energy transfer is far below energy equipartition, independent of the mean magnetic field configuration. Downstream electron energy spectra are close to thermal distributions, although limited-range supra-thermal power-law components are also present. My results show that WFA at mildly relativistic magnetized shocks in AGN jets cannot be the source of high-energy cosmic rays. Limited level of the electron-ion coupling is in tension with leptonic models of blazar emission based on internal mildly relativistic shock scenario, unless the presence of the positron plasma component can facilitate enhanced ion-to-electron energy transfer.