[論文レビュー] Modelling Relativistic Astrophysics at the Large and Small Scale

Troels Haugboelle|ArXiv.org|Oct 10, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 55被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、局所的観測者からの視点で動的変数を進めるが、グローバル座標系で記述する一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）コードを提案する。これにより、完全なアインシュタイン方程式ソルバーとの結合が可能となる。また、相対論的ミクロ物理学を含む粒子-場面法（PIC）コードを導入し、ペアプラズマにおける二重ストリーム不安定性による自己自己一致な電子加速と衝撃構造形成を明らかにした。さらに、観測比較に直接利用可能な合成光子スペクトルを抽出可能である。

ABSTRACT

In this thesis different numerical methods, as well as applications of the methods to a number of current problems in relativistic astrophysics, are presented. In the first part the theoretical foundation and numerical implementation of a new general relativistic magnetohydrodynamics code is discussed. A new form of the equations of motion using global coordinates, but evolving the dynamical variables from the point of view of a local observer is presented. No assumptions are made about the background metric and the design is ready to be coupled with methods solving the full Einstein equations. In the second part of the thesis important results concerning the understanding of collisionless shocks, obtained from experiments with a relativistic charged particle code, are presented. Relativistic collisionless shocks are important in a range of astrophysical objects; in particular in gamma ray burst afterglows and other relativistic jets. It is shown that a strong small scale, fluctuating, and predominantly transversal magnetic field is unavoidably generated by a two-stream instability. The magnetic energy density reaches a few percent of equipartition. A new acceleration mechanism for electrons in ion-electron collisionless shocks is proposed. The mechanism is capable of creating a powerlaw electron distribution in a collisionless shocked region. The non-thermal acceleration of the electrons is directly related to the ion current channels generated by the two-stream instability and is local in nature. Thus the observed radiation field may be tied directly to the local conditions of the plasma and could be a strong handle on the physical processes. (abridged)

研究の動機と目的

• グローバル座標系で動作するが、局所的慣性観測者フレームからの視点で動的変数を進める一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）コードを開発し、完全なアインシュタイン方程式ソルバーとの整合性を保証すること。
• 特に磁場生成と電子加速機構に注目した、相対論的非衝突衝撃波のミクロ物理学を理解すること。
• 粒子-場面法（PIC）と流体法の両方を用いてペアプラズマ衝撃波をシミュレートし、衝撃構造の妥当性を検証するとともに、衝撃遷移領域のスケールを推定すること。
• ペア生成、消失、散乱といった完全な相対論的粒子相互作用をPICコードに組み込み、自己自己一致な合成光子スペクトルを生成すること。
• 非熱的電子加速機構をイオン電流チャネルに結びつけることで、観測可能な放射場と局所的プラズマ状態を直接結びつけること。

提案手法

• グローバル座標系で運動方程式を定式化するが、背景計量に関する仮定を一切行わず、局所的慣性観測者の視点から動的変数を進める。
• 完全なアインシュタイン方程式ソルバーと連携可能なGRMHDコードを開発し、時空とプラズマダイナミクスの自己自己一致なモデル化を可能にする。
• 完全なマクスウェル方程式を解き、相対論的散乱、ペア生成、崩壊、消失といった直接的なミクロ物理的相互作用を含む相対論的粒子-場面法（PIC）コードを採用する。
• PICコードを用いて電子-陽電子プラズマにおける二重ストリーム不安定性をシミュレートし、マクロな衝撃構造の形成を観測する。
• ペアプラズマにおける衝撃構造と遷移領域幅の妥当性を検証するため、並列的な流体シミュレーションを実施する。
• 粒子相互作用と放射過程を追跡することで、PICシミュレーションから直接合成光子スペクトルを抽出し、観測データとの直接比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の時空幾何における一般相対論的磁気流体力学を、グローバル座標系で定式化しつつ、局所的物理的一致性を保つ方法は何か？
• RQ2 二重ストリーム不安定性は、相対論的非衝突衝撃波における磁場生成と電子加速にどのような役割を果たすか？
• RQ3 相対論的ミクロ物理学を含む自己自己一致なPICコードは、流体シミュレーションで観測されたマクロな衝撃構造を再現できるか？
• RQ4 相対論的ペアプラズマにおける衝撃遷移領域の特徴的なスケールは何か？また、電子スクリーン深さと比較するとどうなるか？
• RQ5 ガンマ線バーストの残光における観測比較を可能にするために、数値シミュレーションから合成光子スペクトルを直接抽出できるか、その程度はどの程度か？

主な発見

• 二重ストリーム不安定性によって、強い小スケールで主に横方向の磁場が生成され、磁場エネルギー密度は等分配状態の数パーセントに達する。
• 二重ストリーム不安定性によって形成されるイオン電流チャネルに起因する、新しい局所的非熱的電子加速機構が同定され、パワー則に従う電子エネルギー分布が生成される。
• ペアプラズマにおける衝撃遷移領域の広がりは、50〜100の電子スクリーン深さ程度と推定され、PICシミュレーションと整合的である。
• ペアプラズマにおけるマクロな衝撃構造の再現に関して、PICシミュレーションと相対論的流体シミュレーションの間で良好な一致が得られた。
• PICシミュレーションから抽出された合成光子スペクトルは、ミクロ物理過程から自己自己一致的に生成されており、観測データとの直接比較が可能である。
• 観測された放射場は、特にイオン電流チャネルの構造と直接的に関連しており、天体的衝撃波の強力な診断ツールを提供する。