Elektronenbeschleunigung an stoßfreien Schocks mit quasi-senkrechtem Magnetfeld in Supernovaresten

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Karl Wilhelm Pohl
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451321940

Die Elektronenkomponente der kosmischen Strahlung liefert aufgrund ihrer Strahlungseffizienz den Löwenanteil der Information über Teilchenbeschleunigung in kosmischen Objekten. Wie diese Elektronen beschleunigt wurde ist weniger klar. Wir wissen, dass der Prozess der diffusiven Schockbeschleunigung in Supernovaresten nur für Elektronen mit einem Lorentzfaktor oberhalb von etwa Hundert funktioniert, eine Vorbeschleunigung also notwendig ist, deren Eigenschaften wir mit diesem Projekt erkunden. Schocks in Supernovaresten sind nichtrelativistisch und haben eine sehr hoch Machzahl. Die Struktur und Eigenschaften nicht-relativistischer Schocks werden durch Reflektion von Teilchen bestimmt, deren Wechselwirkung mit dem zuströmenden Plasma eine Vielzahl von Plasmainstabilitäten anregt. Wenn das Magnetfeld in etwa parallel zur Schocknormalen ausgerichtet ist, können Ionen weit in das Aufstromgebiet vordringen und dort Turbulenz erzeugen. Bei quasi-senkrechten Schocks geht dies nicht, allerdings sollten Elektronen noch weit in das Aufstromgebiet strömen können. Wir betreiben vollkinetische PIC-Simulationen, mit denen wir diese Prozesse und somit Elektronenbeschleunigung verfolgen können. Wir konzentrieren uns auf quasi-senkrechte Schocks, nachdem wir vorher strikt senkrechte Schocks untersuchten. Der Zustrom von Ionen liefert Energie, die an die Elektronen weitergegeben werden kann, beispielsweise über Schock-surfen, Schockdriftbeschleunigung, das Schockpotential, magnetische Rekonnexion, oder andere Prozesse. Wir untersuchen den Einfluss der Orientierung des großräumigen Magnetfelds relativ zum Schock auf die Effizienz dieser Prozesse. Das Ziel ist, die Elektronenvorbeschleunigung und damit die Elektroneninjektionrate in die diffusive Schockbeschleunigung zu bestimmen. Unsere Analysen werden Elektronenspektren im Auf- und Abstromgebiet liefern, und weiter die Effizienz der Elektronenreflektions am Schock sowie de Art und Entwicklung der von ihnen getriebenen Plasmainstabilitäten. Wir werden auch den Einfluss des in der Simulation angenommenen Massenverhältnisses von Elektronen und Ionen bestimmen. Unsere Ergebnisse werden für globale Modellierungen von Teilchentransport in Supernovaresten sehr wichtig sein. Uns ist klar, dass es auch langsame und großskalige Moden gibt, die unsere Simulationen nicht erfassen können. Diese werden aber im allgemeinen durch durch kleinskalige Teilchenströme getrieben, die wir sehr gut verfolgen können. Die großskaligen Phänomene sind quasi unvermeidbar, sobald die kleinskaligen Prozesse tatsächlich angestossen werden, und unser Projekt wird aufklären, mit welcher Effizienz dies geschieht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen