Plasma-Mikrophysik der Teilchenbeschleunigung bei schrägen Schocks

• Antragsteller: Dr. Naveen Kumar
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522551585

Der Ursprung und die Beschleunigung der kosmischen Strahlung im Universum bleibt auch mehr als ein Jahrhundert nach ihrer ersten Entdeckung eine offene Frage und eines der zentralen Probleme der Hochenergie-Astrophysik und Astroteilchenphysik. Es wird allgemein angenommen, dass die kosmische Strahlung in erster Linie durch einen Prozess vom Fermi-Typ beschleunigt wird, der als diffusive Schockbeschleunigung an astrophysikalischen Orten wie den externen kollisionsfreien nichtrelativistischen Schocks von Supernovaüberresten bekannt ist. Aktuelle theoretische und numerische Modelle der Beschleunigung kosmischer Strahlung berücksichtigen in erster Linie die Schräglage des Magnetfeldes, d.h. den Winkel zwischen dem stromaufwärts gerichteten Magnetfeld und der Stoßnormalen, der kleiner als 45 Grad ist, so genannte quasi- parallele Schocks. Für verschiedene astrophysikalische Szenarien wird jedoch ein breiter Bereich von Magnetfeldschieflagen über einen großen Oberflächenbereich des Schocks erwartet. Bis vor kurzem wurde in der Literatur argumentiert, dass die hadronische Komponente der Teilchenbeschleunigung durch Schocks nur unterhalb eines festen Bereichs der Magnetfeldneigung stark begünstigt wird. In diesem Projekt werde ich die Teilchenbeschleunigung (Elektronen und Ionen) untersuchen und die in der Literatur beschriebene Abhängigkeit der Ionenbeschleunigung und ihrer Effizienz von der Magnetfeldschiefe kritisch bewerten. Ich werde meine jüngsten umfangreichen 1D3V (eine Raum- und drei Geschwindigkeitsdimensionen) PIC-Simulationen auf eine mehrdimensionale Geometrie ausweiten, da nur kinetische Simulationen die Plasmamikrophysik, die am Beginn der Teilchenbeschleunigung an Schocks beteiligt ist, selbstkonsistent erfassen können. Meine aktuellen Ergebnisse haben das gegenwärtig akzeptierte Paradigma in Frage gestellt, wonach die Ionenbeschleunigung und ihre Effizienz bei hohen Magnetfeldschiefständen stark leidet. Ich erwarte, dass die Ergebnisse unser Verständnis der nicht-thermischen Teilchenbeschleunigung und der Strahlungserzeugung bei nicht- relativistischen schrägen Schocks erheblich verbessern werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen