[論文レビュー] From electrons to Janskys: Full stokes polarized radiative transfer in 3D relativistic particle-in-cell jet simulations

Nicholas R. MacDonald, Ken‐Ichi Nishikawa|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 70被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、相対論的ジェットの3次元相対論的粒子-格子（PIC）シミュレーションを用い、レイトレーシングによるフル・ストークス偏光放射線輸送を実行し、電子-陽子（e−-p+）および電子-陽電子（e−-e+）プラズマ組成を比較した。e−-p+ジェットはe−-e+ジェットと比べて、偏光レベルが10倍以上強く、線形偏光および円偏光の形態が顕著に異なることが判明した。これは、高分解能偏光観測が天体的ジェットにおけるプラズマ組成を区別する可能性を示している。

ABSTRACT

The underlying plasma composition of relativistic extragalactic jets remains largely unknown. Relativistic magnetohydrodynamic (RMHD) models are able to reproduce many of the observed macroscopic features of these outflows. The nonthermal synchrotron emission detected by very long baseline interferometric (VLBI) arrays, however, is a by-product of the kinetic-scale physics occurring within the jet, physics that is not modeled directly in most RMHD codes. This paper attempts to discern the radiative differences between distinct plasma compositions within relativistic jets using small-scale 3D relativistic particle-in-cell (PIC) simulations. We generate full Stokes imaging of two PIC jet simulations, one in which the jet is composed of an electron-proton ($e^{-}$-$p^{+}$) plasma (i.e., a normal plasma jet), and the other in which the jet is composed of an electron-positron ($e^{-}$-$e^{+}$) plasma (i.e., a pair plasma jet). We examined the differences in the morphology and intensity of the linear polarization (LP) and circular polarization (CP) emanating from these two jet simulations. We find that the fractional level of CP emanating from the $e^{-}$-$p^{+}$ plasma jet is orders of magnitude larger than the level emanating from an $e^{-}$-$e^{+}$ plasma jet of a similar speed and magnetic field strength. In addition, we find that the morphology of both the linearly and circularly polarized synchrotron emission is distinct between the two jet compositions. We also demonstrate the importance of slow-light interpolation and we highlight the effect that a finite light-crossing time has on the resultant polarization when ray-tracing through relativistic plasma.

研究の動機と目的

• 相対論的ジェットにおける異なるプラズマ組成（電子-陽子：e−-p+ と 電子-陽電子：e−-e+）が、その偏光同期放射に与える影響を調査すること。
• 不安定性や磁気リコネクションなどのキネティックスケールの物理が、相対論的ジェットの観測可能な偏光特徴に与える影響を評価すること。
• 正確な偏光放射線輸送において、スローライト補間および有限な光通過時間の重要性を評価すること。
• 高分解能フル・ストークス偏光イメージングが、銀河間領域の天体における通常プラズマとペアプラズマのジェットを区別できるかどうかを示すこと。
• 現在の小スケールPICシミュレーションの限界、および天体的スケールに適したスケールをカバーするためのハイブリッド計算手法の必要性を強調すること。

提案手法

• TRISTAN-MPIコードを用いて、120×120×240グリッドセル領域の3次元相対論的粒子-格子（PIC）シミュレーションをe−-p+およびe−-e+ジェットに対して実行した。
• プラズマの皮膚厚さ、電子のローレンツ因子、および電子密度（ne ≈ 10^1 cm⁻³）に基づいて導出されたスケーリング係数を用い、次元なしPIC出力を物理的単位にスケーリングした。
• マクドナルド＆マーシャー（2018）に基づく偏光放射線輸送スキームを適用し、シミュレートされたプラズマ分布からフル・ストークスパラメータ（I, Q, U, V）を計算した。
• レイトレーシングにおいて、高速光およびスローライト補間を実装した。スローライトは、グリッドセル内での有限な光通過時間（1セルあたり10ステップ）を考慮し、偏光形態に影響を与える。
• 複数のジェットエポックを経て正確なレイトレーシングを可能にするために、図2に示すハイブリッド計算グリッドを用いた。各レイトレースは、時間経過に伴い上流のプラズマ状態に到達する。
• 最終画像を7.5 mas FWHMのガウスビームで畳み込み、実際の観測と比較可能なVLBI分解能を模擬した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e−-p+およびe−-e+相対論的ジェットシミュレーションにおいて、線形偏光および円偏光の形態にどのような相違が生じるか？
• RQ2 同等の物理的条件下で、e−-p+ジェットとe−-e+ジェットの円偏光の相対的強度（全強度に対する割合）はどの程度か？
• RQ3 PICグリッドセル内での有限な光通過時間が、レイトレース画像における偏光放射の形態にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高分解能フル・ストークス偏光観測が、通常プラズマとペアプラズマのジェットをどの程度まで区別できるか？
• RQ5 キネティックスケールの不安定性（例：ワイベル、ケルビン＝ヘルムホルツ）が、相対論的ジェットにおける観測可能な偏光構造に与える影響は何か？

主な発見

• 同様のジェット速度および磁場強度下で、e−-p+プラズマジェットの円偏光（CP）の相対的強度は、e−-e+プラズマジェットと比べて10倍以上大きい。
• e−-p+ジェットの線形偏光（LP）放射は滑らかで構造的である一方、e−-e+ジェットはより繊維状で不規則なLP構造を示す。
• e−-e+ジェットは顕著に低い円偏光レベルを示し、これは同期放射理論と一致しており、ペアプラズマにおける電荷非対称性の低減に起因する。
• スローライト補間により、有限な光通過時間に起因した、視線方向に沿った放射特徴の観測可能な混合が生じ、高速光近似とは異なる形態が得られる。
• スローライト画像の特徴は、個々のプラズマ構造に対応するのではなく、視線方向に複数の成分が統合された放射を表す。
• 物理的サイズが約150 km³と小さいにもかかわらず、本シミュレーションはキネティックスケールのダイナミクスが、高分解能偏光観測によって原理的に検出可能なマクロな偏光シグネチャーを生成することを示している。