Einschränkung von Pulsar- und schnellen Radioburst-Emissionsmodellen durch kinetische Simulationen

• Antragsteller: Dr. Jan Benacek, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517091742

Bis heute sind die Ursachen der in den 1960er Jahren entdeckten elektromagnetischen Pulsar-Strahlung, bis hin zu denen der unlängst entdeckten schnellen Radioausbrüche (Fast Radio Bursts-FRBs), ungeklärt. Es fehlen quantitative Untersuchungen die einen Vergleich der Wirksamkeit relevanter Plasmaprozesse in Neutronenstern-Magnetosphären ermöglichen würden. Unzulänglich sind vor allem die Betrachtung der Strahlung wechselwirkungsfrei oszillierender einzelner Ladungsträger, die Vernachlässigung nichtlinearer kollektiven Plasmaphänomene, Wellenabsorption im Emissionsbereich sowie quantenelektrodynamischer (QED) Effekte.Ziel des Projekts ist es, Pulsar-Radio- und FRB-Emissionen durch kinetische Plasmasimulationen quantitativ zu untersuchen, um sie im Vergleich mit der beobachteten Strahlung bewerten und einschränken zu können. Die geplanten Particle-in-Cell- (PIC-) code Simulationen werden die nichtlineare Plasmadynamik wie auch QED-Effekte auf den Skale, auf denen die Pulsar-Strahlung entsteht, quantitativ beschreiben. Insbesondere sollen vier Emissionsmechanismen vergleichend untersucht werden: (i) Die Bedeutung der Emissionen durch Teilchenbeschleunigung in den gekrümmten Pulsar-Magnetfeldern (durch Ein- und Ausschalten der Zentrifugalkraft), (ii) direkte Plasmaemissionen durch Welle-Welle-Wechselwirkungen, (iii) Emissionen durch lineare Beschleunigung der Teilchen entlang des Magnetfelds sowie durch (iv) freie-Teilchen Maser-Emissionen für Beschleunigung in beliebige Richtungen zum Magnetfeld. Für plausibel anzunehmende Plasma- und Magnetfeldeigenschaften von Pulsar-Magnetosphären sollen für die betrachteten Mechanismen das Spektrum, die abgestrahlte Leistung, Richtungscharakteristik und Polarisation der Strahlung bestimmt werden.Der innovative Ansatz dieses Projekts besteht darin, dass das Zusammenwirken der verschiedenen ins Auge gefassten Emissionsprozesse, deren relative Bedeutung und Effizienz umstritten ist, selbst-konsistent zu berücksichtigen um quantitative, vergleichbare Voraussagen Aussagen zur Effizienz der betrachteten Emissionsmechanismen zu ermöglichen. Die Emissionseigenschaften der Strahlungsmechanismen dann mit den aktuellen Beobachtungsergebnissen verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen