Transporttheorie kosmischer Strahlung in astrophysikalischen Plasmen

• Applicant: Professor Dr. Andreas Shalchi
• Subject Area: Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2006 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 23365819

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Im Rahmen des von der DFG geförderten Projektes Transporttheorie kosmischer Strahlung in astrophysikalischen Plasmen wurden fundamentale Wechselwirkungsprozesse zwischen Plasmen und energetischen Teilchen untersucht. Dabei wurden sowohl numerische Methoden (Computersimulao tionen) als auch analytische Theorie verwendet. Solche Theorien können auf astrophysikalische Szenarien angewendet werden. Beispiele sind die Propagation kosmischer Teilchen im Sonnensystem oder im interstellaren Medium. Darüber hinaus spielen diese Wechselwirkungsprozesse eine bedeutende Rolle um den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung theoretisch beschreiben zu können. Letzterer ist verantwortlich für die eigentliche Entstehung der kosmischen Strahlung. In den letzten Jahren wurden vom Antragssteller und seinem Team bedeutende Fortschritte in der Theorie energetischer Teilchen erzielt. So wurde erstmals der Zusammenhang zwischen dem Turbulenzspektrum interplanetarer Magnetfelder und Feldlinienstrukturen beschrieben. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich Magnetfeldlinien im Sonnenwind oft superdiffusiv verhalten. Dies widerspricht der gängigen Annahme von normaler bzw. Markovianischer Diffusion. Diese Feldlinienstrukturen beeinflussen insbesondere die Bewegung energetischer Teilchen im Sonnensystem. Wird angenommen, dass parallel diffundierende Teilchen entlang von Feldlinien laufen, ergibt sich sogenannte Compound-Diffusion. Dieser Prozess ist vorallem für Teilchen in frühen Phasen der Propagation entscheident. Beispiele hierfür sind solare energetische Teilchen nahe der Sonne. Um eine korrekte Beschreibung von Diffusionsprozessen senkrecht zum Sonnenmagnetfeld zu beschreiben, muss den Teilchen erlaubt werden Magnetfeldlinien zu verlassen. Im Projekt wurde nun eine Methode entwickelt die auf der Newton-Lorentz-Gleichung basiert. Sie erlaubt erstmals eine vollständige Beschreibung von Senkrechtdiffusion für alle Parameterbereiche. Diese fortschrittlichen Theorien können z.B. galaktische Protonen im Sonnenwind erfolgreich mit hoher Genauigkeit beschreiben. Obwohl senkrechte Transportprozesse wohl das Hauptproblem in der Transporttheorie darstellen, ist auch die analytische Beschreibung von paralleler Diffusion problematisch. Inbesondere Pitch-Winkel-Streuung bei großen Winkel führt in störungstheoretischen Beschreibungen oft zu Singularitäten. Deshalb wurden vom Antragsteller nichtlineare Theorien für Streuung bei allen Pitch-Winkeln entwickelt. Diese Theorien wurden dann rein analytisch ausgewertet und auf unterschiedlichen Szenarien angewendet. So konnte z.B. gezeigt werden, dass selbst Teilchen mit Larmor-Radien größer als die größte Turbulenz-Skala immer noch gestreut und somit isotropisiert werden. Abschließend wurde der Einfluss von Turbulenz und Teilchendiffusion auf die Beschleunigung an interplanetaren Schockwellen untersucht. Dabei zeigte sich, dass das Turbulenzspektrum bei sehr großen Skalen, die maximale Energie eines Teilchens an einer senkrechten Schockfront stark beieinflusst. Unser Verständnis von interplanetarer Turbulenz und Plasma-Teilchenwechselwirkungen beeinflussen also den Prozess der diffusiven Schockbeschleunigung. Einfach Konzepte wie z.B. isou trope Bohm-Diffusion sind zumindest für interplanetare Schocks unzureichend.

Publications

• A New Theory for Perpendicular Transport of Cosmic Rays, 2007, Astronomy & Astrophysics, 470, 405
  Shalchi, A. & Kourakis, I.
  
• Analytical Description of Stochastic Field-Line Wandering in Magnetic Turbulence, 2007, Physics of Plasmas, 14, 092903
  Shalchi, A. & Kourakis, I.
  
• Nonlinear Guiding Center Theory of Perpendicular Diffusion: Derivation from the Newton-Lorentz Equation, 2008, The Astrophysical Journal, 685, 971
  Shalchi, A. & Dosch, A.
  
• Solving the 90o scattering problem in isotropic turbulence, 2008, The Astrophysical Journal Letters, 685, L165
  Tautz, R. C., Shalchi, A. & Schlickeiser, R.
  
• Analytical description of nonlinear cosmic ray scattering: isotropic and quasilinear regimes of pitch-angle diffusion, 2009, Astronomy & Astrophysics, 507, 589
  Shalchi, A., Skoda, T., Tautz R. C. & Schlickeiser, R.
  
• Nonlinear Cosmic Ray Diffusion Theories, 2009, Astrophysics and Space Science Library, Vol. 362. Berlin: Springer
  Shalchi, A.
  
• Analytic Forms of the Perpendicular Cosmic Ray Diffusion Coefficient for an Arbitrary Turbulence Spectrum and Applications on Transport of Galactic Protons and Acceleration at Interplanetary Shocks, 2010, Astrophysics and Space Science, 325, 99
  Shalchi, A., Li, G. & Zank, G. P.
  
• Diffusive shock acceleration at interplanetary perpendicular shock waves: influence of the large scale structure of turbulence on the maximum particle energy, 2010, Advances in Space Research, 46, 1208
  Dosch, A. & Shalchi, A.