Particle acceleration in magnetised mildly relativistic shocks
Loading...
DOI
Date
2026
Authors
Torralba Paz, Gabriel
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
W 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.
In this thesis, fully kinetic particle-in-cell (PIC) simulations are used to study mildly relativistic collisionless shocks in strongly magnetised plasmas with oblique configurations of the ambient magnetic fields. Such shocks are expected to occur in relativistic plasma outflows, including jets of active galactic nuclei and microquasars, which are prominent sources of non-thermal radiation and potential acceleration sites of high-energy cosmic rays. Previous studies have shown that while diffusive shock acceleration is efficient in weakly magnetised, subluminal shocks, and wakefield acceleration operates predominantly in the ultra-relativistic regime, both mechanisms are expected to be inefficient in mildly relativistic, strongly magnetised plasmas. This work therefore explores whether alternative mechanisms can support efficient particle heating and acceleration under these previously unexplored conditions. Large-scale, high-resolution 2D3V PIC simulations are performed using the code THATMPI, which was extensively optimised and extended with new features for this study. The simulations probe shocks with Lorentz factor γ0~2.24, propagating in strongly magnetised plasmas with σ = 1. Three magnetic field configurations are examined: a superluminal oblique shock (θBn=40°), a subluminal oblique shock (θBn=30°) close to the threshold angle between superluminal and subluminal configurations, and a quasi-parallel shock (θBn=10°). The oblique shocks develop large-amplitude magnetosonic wave trains with sharp electrostatic potentials and decreasing amplitude downstream. Their structure is reminiscent of weak non-relativistic subcritical space shocks. The shocks are intrinsically non-stationary and develop strong transverse non-uniformities. This enables particle reflection and trapping within magnetosonic pulses, in the subluminal configuration close to the threshold angle giving rise to efficient heating and acceleration of both electrons and ions. The identified mechanism is analogous to the electron trapping and acceleration process previously reported in non-relativistic shocks, but in mildly relativistic shocks operates for both species and with significantly higher efficiency due to the assumed stronger magnetisation and higher shock speeds. In the subluminal case, electrons develop a high-energy power-law spectrum with index p≈2, limited by a cutoff set by the shock width, which scales with the Lorentz factor, wave amplitude, and ion-to-electron mass ratio. The ion acceleration through this mechanism is reduced by roughly two orders of magnitude. Some of the ions can overcome the shock potential and propagate upstream, where they undergo further energisation through the shock surfing acceleration process. The quasi-parallel shock exhibits a markedly different structure. The shock is subcritical with respect to the whistler critical Mach number and forms an extended precursor populated by large-amplitude dispersive whistler waves. The interaction of ions and electrons with the precursor whistlers and additional wave modes associated with their nonlinear dynamics leads to strong heating of both species. Overall, the results demonstrate that strongly magnetised, mildly relativistic oblique shocks can support an efficient particle energisation mechanism distinct from diffusive shock acceleration and wakefield acceleration. While the resulting spectra are limited in extent, the process provides substantial energy gain and may act as an effective injection mechanism for further acceleration. These findings highlight the importance of shock non-stationarity and multidimensional effects and motivate future fully three-dimensional studies. In addition to the PIC simulations, this thesis introduces a novel approach for analysing particle tracing data using neural networks. To assess its applicability, traced particle data from simulations studying electron acceleration in waves excited by the Buneman instability in high-Mach-number shocks are used as a test case. Three classes of algorithms are employed: classification, regression, and anomaly detection. The results demonstrate that neural networks have significant potential to enhance and streamline the analysis of particle trajectories in kinetic plasma simulations.
In this thesis, fully kinetic particle-in-cell (PIC) simulations are used to study mildly relativistic collisionless shocks in strongly magnetised plasmas with oblique configurations of the ambient magnetic fields. Such shocks are expected to occur in relativistic plasma outflows, including jets of active galactic nuclei and microquasars, which are prominent sources of non-thermal radiation and potential acceleration sites of high-energy cosmic rays. Previous studies have shown that while diffusive shock acceleration is efficient in weakly magnetised, subluminal shocks, and wakefield acceleration operates predominantly in the ultra-relativistic regime, both mechanisms are expected to be inefficient in mildly relativistic, strongly magnetised plasmas. This work therefore explores whether alternative mechanisms can support efficient particle heating and acceleration under these previously unexplored conditions. Large-scale, high-resolution 2D3V PIC simulations are performed using the code THATMPI, which was extensively optimised and extended with new features for this study. The simulations probe shocks with Lorentz factor γ0~2.24, propagating in strongly magnetised plasmas with σ = 1. Three magnetic field configurations are examined: a superluminal oblique shock (θBn=40°), a subluminal oblique shock (θBn=30°) close to the threshold angle between superluminal and subluminal configurations, and a quasi-parallel shock (θBn=10°). The oblique shocks develop large-amplitude magnetosonic wave trains with sharp electrostatic potentials and decreasing amplitude downstream. Their structure is reminiscent of weak non-relativistic subcritical space shocks. The shocks are intrinsically non-stationary and develop strong transverse non-uniformities. This enables particle reflection and trapping within magnetosonic pulses, in the subluminal configuration close to the threshold angle giving rise to efficient heating and acceleration of both electrons and ions. The identified mechanism is analogous to the electron trapping and acceleration process previously reported in non-relativistic shocks, but in mildly relativistic shocks operates for both species and with significantly higher efficiency due to the assumed stronger magnetisation and higher shock speeds. In the subluminal case, electrons develop a high-energy power-law spectrum with index p≈2, limited by a cutoff set by the shock width, which scales with the Lorentz factor, wave amplitude, and ion-to-electron mass ratio. The ion acceleration through this mechanism is reduced by roughly two orders of magnitude. Some of the ions can overcome the shock potential and propagate upstream, where they undergo further energisation through the shock surfing acceleration process. The quasi-parallel shock exhibits a markedly different structure. The shock is subcritical with respect to the whistler critical Mach number and forms an extended precursor populated by large-amplitude dispersive whistler waves. The interaction of ions and electrons with the precursor whistlers and additional wave modes associated with their nonlinear dynamics leads to strong heating of both species. Overall, the results demonstrate that strongly magnetised, mildly relativistic oblique shocks can support an efficient particle energisation mechanism distinct from diffusive shock acceleration and wakefield acceleration. While the resulting spectra are limited in extent, the process provides substantial energy gain and may act as an effective injection mechanism for further acceleration. These findings highlight the importance of shock non-stationarity and multidimensional effects and motivate future fully three-dimensional studies. In addition to the PIC simulations, this thesis introduces a novel approach for analysing particle tracing data using neural networks. To assess its applicability, traced particle data from simulations studying electron acceleration in waves excited by the Buneman instability in high-Mach-number shocks are used as a test case. Three classes of algorithms are employed: classification, regression, and anomaly detection. The results demonstrate that neural networks have significant potential to enhance and streamline the analysis of particle trajectories in kinetic plasma simulations.
Description
This work has been supported by Narodowe Centrum Nauki through research Project No. 2019/33/B/ST9/02569.
We gratefully acknowledge Polish high-performance computing infrastructure PLGrid (HPC Center: ACK Cyfronet AGH) for providing computer facilities and support within computational grants no. PLG/2023/016861, PLG/2023/016378, PLG/2024/017881 and PLG/2025/019027.
We acknowledge Polish high-performance computing infrastructure PLGrid for awarding this project access to the LUMI supercomputer, owned by the EuroHPC Joint Undertaking, hosted by CSC (Finland) and the LUMI consortium through PLL/2024/06/017077.
Keywords
Citation
Sponsorship:
National Science Centre
Grantnumber:
2019/33/B/ST9/02569
License Type
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International