Scher-Teilchenbeschleunigung in astrophysikalischen Jets
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Forschungsprojekt widmete sich der grundlegenden Frage: Wo und wie werden die im Universum beobachteten geladenen Teilchen auf ihre extremen Energien beschleunigt? Zu den vielversprechendsten Klassen kosmischer Teilchenbeschleuniger zählen Aktive Galaktische Kerne (AGNs) – Galaxien mit akkretierenden, massereichen Schwarzen Löchern, die relativistische Plasmaströme, sogenannte Jets, ausstoßen. Zunehmende Hinweise deuten darauf hin, dass diese Jets signifikante laterale Geschwindigkeitsgradienten (shear flows) aufweisen, was das Interesse an deren Rolle bei der Teilchenbeschleunigung und hochenergetischen Strahlung neu entfacht hat. Schnelle Scherströmungen können auf verschiedene Art und Weise zur Beschleunigung energiereicher Teilchen beitragen. Ein zentraler, in diesem Projekt untersuchter Prozess ist ein stochastischer Fermi-artiger Beschleunigungsmechanismus, bei dem Teilchen durch elastische Streuung an magnetischen Inhomogenitäten innerhalb einer scherenden Hintergrundströmung (bspw. der Art vz (r) ⃗ez) Energie gewinnen. Im vorliegenden Projekt wurde dies studiert durch eine Untersuchung der erwarteten Eigenschaften simulierter Jets, die numerische Lösung der Transportgleichungen für geladene Teilchen in solchen Umgebungen, die Erweiterung semianalytischer Modelle sowie die Entwicklung phänomenologischer Ansätze zur direkten Vergleichbarkeit mit Beobachtungen. Unsere wichtigsten Ergebnisse zeigen dabei: (1) Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten erzeugen auf natürliche Weise Scherzonen (sog. “sheath’) in relativistischen Jets, in denen geladenen Teilchen beschleunigt werden können; (2) Die Teilchenbeschleunigung in Scherströmungen führt zur Erzeugung von Teilchenspektren mit einem Potenzgesetz, dessen spektraler Index vom Geschwindigkeitsprofil abhängt und damit Rückschlüsse über die Jetphysik ermöglicht; (3) Die effiziente in-situ Scherbeschleunigung von Elektronen entlang der Jets liefert eine natürliche Erklärung für die Beobachtung ausgedehnter, hochenergetischer Synchrotronemission in AGN Jets; (4) Erste Untersuchungen zeigen, dass ein derartiger Mechanisms auch zur Entstehung der hochenergetischen Neutrinostrahlung aus nahegelegenen Seyfert-AGNs beitragen kann; (5) Die Scherbeschleunigung stellt einen vielversprechenden Mechanismus zur Erzeugung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) dar, insbesondere in Quellen wie Centaurus A. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes erweitern das konzeptionelle Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung wesentlich und identifizieren Scherströmungen in AGN-Jets als eine Schlüsselumgebung für hochenergetische Multi-Messenger-Phänomene.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Active Galactic Nuclei as Potential Sources of Ultra-High Energy Cosmic Rays. Universe, 8(11), 607.
Rieger, Frank M.
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Particle Acceleration in Relativistic Shearing Flows: Energy Spectrum. The Astrophysical Journal, 933(2), 149.
Rieger, Frank M. & Duffy, Peter
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Particle acceleration in shearing flows: the self-generation of turbulent spine-sheath structures in relativistic magnetohydrodynamic jet simulations. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 519(2), 1872-1880.
Wang, Jie-Shuang; Reville, Brian; Mizuno, Yosuke; Rieger, Frank M. & Aharonian, Felix A.
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Studying X-ray spectra from large-scale jets of FR II radio galaxies: application of shear particle acceleration. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 525(4), 5298-5310.
He, Jia-Chun; Sun, Xiao-Na; Wang, Jie-Shuang; Rieger, Frank M.; Liu, Ruo-Yu & Liang, En-Wei
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Theory of Gamma-Ray loud AGNs. Proceedings of 7th Heidelberg International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy — PoS(Gamma2022), 002. Sissa Medialab.
Rieger, Frank
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Acceleration of Ultra-high-energy Cosmic Rays in the Kiloparsec-scale Jets of Nearby Radio Galaxies. The Astrophysical Journal Letters, 977(1), L20.
Wang 王, Jie-Shuang 界双; Reville, Brian; Rieger, Frank M. & Aharonian, Felix A.
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Nonlinear aspects of stochastic particle acceleration. Physical Review D, 109(6).
Lemoine, Martin; Murase, Kohta & Rieger, Frank
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The Role of Stochastic Fermi-type Particle Acceleration in the Inner Jets of Active Galactic Nuclei. The Astrophysical Journal, 967(1), 36.
Wang, Jieshuang; Rieger, Frank M. & Mizuno, Yosuke
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Neutrinos from stochastic acceleration in black hole environments. Astronomy & Astrophysics, 697, A124.
Lemoine, Martin & Rieger, Frank
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Synchrotron-limited Particle Acceleration in Relativistic Shearing Flows. The Astrophysical Journal, 988(2), 245.
M. Rieger, Frank & Duffy, Peter
