Anomaler Transport und Beschleunigung energiereicher Teilchen in astrophysikalischen Umgebungen: Fraktionale Diffusions-Advektionsgleichungen und Stochastische Differentialgleichungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Horst Fichtner; Dr. Lukas Merten
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434200803

Mit dem beantragten Fortsetzungsprojekt werden wir den anomalen Transport und die Beschleunigung energiereicher Teilchen in astrophysikalischen Plasmaumgebungen quantitativ untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts werden wir uns mit kritischen Fragen bzgl. der Implikationen und Verfeinerungen von Modellen befassen, die anomale Prozesse bei Transport und Beschleunigung energiereicher Teilchen beschreiben. Im vorangegangenen Projekt wurde, basierend auf Theorie und Beobachtung, etabliert, dass der diffusive Transport energiereicher Teilchen signifikant vom Gauss'schen Verhalten abweichen kann: in verschiedenen astrophysikalischen Systemen hängt die mittlere quadratische Verschiebung nicht linear von der Zeit ab, was die Wichtigkeit der Berücksichtigung nicht-Gauss'schen Transports in Teilchendynamikmodellen in Umgebungen zeigt, die durch Plasmaströmungen, Schocks und Turbulenz charakterisiert sind. In der hier beantragten zweiten Projektphase werden wir in Kollaboration mit vier internationalen Expert/inn/en die Konsequenzen dieses Ergebnisses erforschen, in dem wir Modelle, die den anomalen Transport energiereicher Teilchen beschreiben, verfeinern. Insbesondere werden wir das Wechselspiel zwischen anomalen Transport- und Beschleunigungsprozessen in astrophysikalischen Milieus untersuchen, mit Fokus auf Schlüsselobservablen wie Energiespektren und räumliche Verteilungen der Teilchen einschliesslich der Ausbildung von Intensitätsmaxima nahe Schocks. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Simulationsumgebung für den anomalen Transport und die Beschleunigung energiereicher Teilchen in astrophysikalischen Umgebungen. Mit den entsprechenden Simulationen werden wir folgende wissenschaftliche Hauptfragestellung beantworten: Was sind die Konsequenzen der Verwendung fraktionaler Transportgleichungen, die Levy flights, verkürzte Levy flights und Levy walks repräsentieren, für den anomalen Transport und die Beschleunigung energiereicher Teilchen? Diese Frage wird vermittels dreier Teilziele untersucht: (i) die Entwicklung und Validierung hochentwickelter Modelle des anomalen Transports und der Beschleunigung basierend auf stochastischen Differentialgleichungen (SDEs) sowie auf gitterbasierten Verfahren, (ii) die Verwendung dieser Modelle zur Untersuchung des Transportes solarer energiereicher Teilchen und galaktischer kosmischer Strahlung und (iii) ein Vergleich der Modellvorhersagen mit Beobachtungen um die Relevanz von anomalen Transport- und Beschleunigungsregimes zu klären. Wo immer möglich werden wir das relevante SDE System und die äquivalente fraktionale Transportgleichung lösen um die numerischen Ergebnisse zu validieren. Mit umfassenden Simulationen werden wir nicht zur aktuellen Forschung bzgl. der Signifikanz von anomalen Transport in astrophysikalischen Systemen beitragen, sondern auch klären wie dieser Transport quantitativ, d.h. als Levy walk oder (verkürzter) Levy flight, beschrieben werden muss.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Südafrika, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Silvia Perri; Professor Dr. Jakobus Le Roux; Professor Dr. Roelf Du Toit Strauss; Professor Dr. Gaetano Zimbardo