Elektronenbeschleunigung an stoßfreien Schocks mit quasi-senkrechtem Magnetfeld in Supernovaresten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Astrophysikalische Schockfronten finden sich an vielen Orten im Universum. In Supernovaüberresten sieht man Röntgen-Synchrotronstrahlung von den Schockfronten, was sehr effiziente Energetisierung von Elektronen erfordert. Mit der diffusiven Schockbeuschleunigung kennen wir einen Prozess, der diese Energetisierung leisten kann, wofür aber eine Vorbeschleunigung notwendig ist, damit die Elektronen die Schockfront leicht durchqueren können. Diese Vorbeschleunigung zu verstehen ist wichtig, um eine Vielzahl astrophysikalischer Phänomene richtig interpretieren zu können. Das Studium der Energieaustauschprozesse von Elektronen erfordert Methoden, mit denen die entsprechend kleinskaligen Prozesse aufgelöst werden können. Particle-in-cell-Simulationen erfüllen diese Anforderungen. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, den Beitrag zur Elektronenvorbeschleunigung an sogenannten senkrechten Schockfronten zu bestimmen, der von Einzelprozessen wie Schock-Surf-Beschleunigung, magnetischer Rekonnnexion oder stochastischer Fermi-Beschleunigung geleistet wird. Bei schrägen Schockfronten, bei denen der Winkel zwischen der Schockrichtung und der eines großräumigen Magnetfelds zwischen 20◦ und 70◦ liegt, können am Schock reflektierte Teilchen, insbesondere Elektronen, entlang des Magnetfelds in das Aufstromgebiet strömen und dort Turbulenz im sogenannten Vorschock erzeugen. Jedes Plasmateilchen muss den Vorschock durchqueren, bevor es den eigentlichen Schock erreicht. Die Turbulenz im Vorschock kann ankommende Teilchen ablenken und heizen. Schockreflektierte Elektronen können zurück zum Schock gelenkt werden und dort weitere Energetisierung erfahren. Wer die Energetisierung von Teilchen an Schockfronten verstehen will, muss diese Einzelprozesse studieren. Unsere Simulationen zeigen, dass sich die Turbulenz im Vorschock zu nichtlinearen Strukturen entwickelt, die sehr starke elektromagnetische Felder tragen. Selbst für einen Anstellwinkel des großräumigen Magnetfelds von 70◦ , bei dem nur Elektronen am Schock reflektiert und in den Vorschock transportiert werden, hat die Turbulenz im Vorschock erhebliche Konsequenzen. Sie sorgt dafür, das die Energiezuwachsrate für Elektronen am Schock um ein Mehrfaches höher ist als früher gedacht, weil unerwartet starke elektromagnetische Felder erzeugt werden. Nicht minder wichtig ist, dass die Energiedichte der vom Schock reflektierten Elektronen keinen konstanten Wert erreicht, der ein Gleichgewicht der Prozesse anzeigen würde, sondern im Verlauf der Simulationen kontinuierlich anwächst. Auch dies deutet an, dass die Effizienz der Turbulenzerzeugung und der Elektronenenergetisierung höher ist als bisher gedacht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Consequences of electron reflection back upstream in oblique shocks. Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021), 448. Sissa Medialab.
Morris, Paul; Bohdan, Artem & Pohl, Martin
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Electron-beam instabilities in the foreshock of high Mach number oblique shocks. Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021), 479. Sissa Medialab.
Weidl, Martin; Bohdan, Artem; Morris, Paul & Pohl, Martin
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Magnetic field amplification at planetary and astrophysical high Mach-number shocks. Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021), 443. Sissa Medialab.
Bohdan, Artem; Pohl, Martin; Niemiec, Jacek; Morris, Paul; Matsumoto, Yosuke; Amano, Takanobu; Hoshino, Masahiro & Sulaiman, Ali
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Magnetic Field Amplification by the Weibel Instability at Planetary and Astrophysical Shocks with High Mach Number. Physical Review Letters, 126(9).
Bohdan, Artem; Pohl, Martin; Niemiec, Jacek; Morris, Paul J.; Matsumoto, Yosuke; Amano, Takanobu; Hoshino, Masahiro & Sulaiman, Ali
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Preacceleration in the Electron Foreshock. I. Electron Acoustic Waves. The Astrophysical Journal, 931(2), 129.
Morris, Paul J.; Bohdan, Artem; Weidl, Martin S. & Pohl, Martin
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The electron foreshock at high-Mach-number non-relativistic oblique shocks. Physics of Plasmas, 29(5).
Bohdan, Artem; Weidl, Martin S.; Morris, Paul J. & Pohl, Martin
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Pre-acceleration in the Electron Foreshock. II. Oblique Whistler Waves. The Astrophysical Journal, 944(1), 13.
Morris, Paul J.; Bohdan, Artem; Weidl, Martin S.; Tsirou, Michelle; Fulat, Karol & Pohl, Martin
