Electron injection at high mach number non-relativistic perpendicular shocks

Abstract

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.

It is generally believed that galactic component of cosmic rays (CRs) are produced by supernova remnant (SNR) shocks. SNR paradigm states that CR are accelerated via diffusive shock acceleration (DSA). To be accelerated via DSA mechanism particles with relativistic energies are needed. This, the so-called injection problem, is the most difficult and still unresolved issue of DSA theory. Electron injection mechanisms at high Mach number nonrelativistic perpendicular shocks for the parameters that are applicable to young SNR shocks are under consideration here. Using two-dimensional kinetic particle-in-cell (PIC) simulations we explore the nonlinear shock structure and electron injection mechanisms for plasmas with low and moderate temperature (plasma beta βe = 5 _ 10-4 i βe = 0:5), various orientations of the large-scale perpendicular magnetic field with respect to the simulation plane (φ = 0o;45o and 90o). Ion reflection off the shock leads to the formation of magnetic filaments in the shock ramp, resulting from Weibel-type instabilities, and electrostatic Buneman modes in the shock foot. In all cases electrons are strongly energized via the shock-surfing acceleration (SSA) mechanism in the shock foot. SSA efficiency and further acceleration mechanisms beyond SSA strongly depends on the large-scale magnetic field orientation. For strictly out-of-plane field (φ = 90o) the fraction of supra-thermal electrons is much higher than for other configurations. Shocks in plasma with moderate temperatures provide more efficient electron pre-acceleration. For runs with φ =0o and 45o the large-scale magnetic field configuration spontaneous turbulent magnetic reconnection in the shock ramp present additional channel of electron acceleration to nonthermal energies. Magnetic vortex statistics and properties are investigated. We demonstrate a dependence of the magnetic vortex generation rate on the temperature of the upstream plasma and also on numerical parameters of the simulations, such as the ion-to-electron mass ratio and the magnetic field orientation. We discuss the resulting electron spectra and the relevance of our results to the physics of fully three-dimensional systems.