Stoßfreie Stoßwellen und Turbulenz in nichtthermischen Strahlungsquellen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Karl Wilhelm Pohl
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 173137393

Schalenförmige Supernovareste gelten als ideale Laboratorien für die Untersuchung von Teilchenbeschleunigung an stoßfreien Stoßfronten. Die mikrophysikalischen Prozesse, über die schnelle geladene Teilchen, selbsterzeugte turbulente Magnetfelder und kollidierende Plasmaströmungen wechselwirken, sind bestimmend für die Injektion von vorbeschleunigten Teilchen in Schockwellenbeschleunigung. Wir untersuchen diese Phänomene für senkrechte Schocks. Wir untersuchen auch die Veränderungen im Plasma vor den Schocks, die durch Strömungsinstabilitäten kosmischer Strahlungen generiert werden. Hierzu benutzen wir Particle-in-cell-Simulationen, mit denen die Wechselwirkungsprozesse angemessen im kinetischen Regime untersucht werden können.Zwei Teilprojekte wurden definiert. Das Erste beschäftigt sich mit der Vorbeschleunigung von Teilchen an nichtrelativistischen senkrechten Schocks, wofür wir eine neue Methode zur Generierung von Schocks in der Simulation entwickelt haben, die sehr viel sauberer funktioniert als die bisher in der Literatur beschriebenen Standardtechniken. Die gewöhnlichen Methoden gehen mit elektromagnetischen Transienten einher, die künstlich Teilchenbeschleunigung vorgaukeln und somit unsere Suche nach suprathermischen Teilchen in die Irre leiten können. Die Arbeiten sind wissenschaftlich wichtig, weil die Injektion in Schockbeschleunigung ein unverstandener Aspekt des Problems ist, der starke Auswirkungen auf die Rückkopplung der beschleunigten Teilchen und die Nichtlinearität des gesamten Vorgangs hat. Insgesamt ist das Verständnis von Teilchenbeschleunigung an nichtrelativistischen Schocks eine Voraussetzung für das Verständnis der Erzeugung kosmischer Strahlung im allgemeinen. Außerdem erlaubt die erfolgreiche Modellierung der Wechselbeziehung zwischen Injektion, der Rückwirkung kosmischer Strahlung, und der turbulenten Magnetfeldverstärkung eine saubere Globalbeschreibung des System auf räumlichen Skalen, auf denen das quasithermische Plasma hydrodynamisch beschreibbar ist.Das zweite Teilprojekt bezieht sich auf nichtresonante Strömungsinstabilitäten vor dem Schock, beispielsweise Bells Instabilität. Bisherige Untersuchung haben sich auf die zeitliche Entwicklung konzentriert, wir aber wollen auch die räumlichen Aspekte miteinbeziehen. Dies ist wichtig, weil sich die Plasmadichten bei der erwarteten großräumigen Beschleunigung des Mediums ändern, und weil immer wieder frisches Plasma eingespeist wird, das die Instabilität in Richtung des nichtlinearen Bereichs verschiebt. Diese Simulationen sind wissenschaftlich interessant, weil die Strömungsinstabilitäten nicht nur das turbulente Magnetfeld verstärken können, sondern auch heizen und hydrodynamische Turbulenz erzeugen, die die Schockeigenschaften und die Beschleunigungsrate modifizieren können. Letztlich ist die Intensität der magnetischen Turbulenz im Vorlauf des Schocks auch von kritischer Bedeutung für das Entweichen und die maximale Energie der beschleunigten Teilchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen