[論文レビュー] Particle Acceleration, Magnetic Field Generation, and Emission in Relativistic Shocks

Ken‐Ichi Nishikawa, P. E. Hardee+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、3次元相対論的電磁気的粒子-場（REMP）シミュレーションを用いて、相対論的衝突なし衝撃波における粒子加速、磁場生成、放射を研究している。Weibel不安定性が衝撃波先端で小スケール磁場を生成し、電子および陽電子をジェットに平行および垂直に加速する。その結果、'じりじり'放射（jitter radiation）が発生する。これは、ガンマ線バーストやその他の相対論的天体物理学的源で観測される複雑なスペクトル的・時間的特徴を説明するメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Shock acceleration is an ubiquitous phenomenon in astrophysical plasmas. Plasma waves and their associated instabilities (e.g., Buneman, Weibel and other two-stream instabilities) created in collisionless shocks are responsible for particle (electron, positron, and ion) acceleration. Using a 3-D relativistic electromagnetic particle (REMP) code, we have investigated particle acceleration associated with a relativistic jet front propagating into an ambient plasma. We find small differences in the results for no ambient and modest ambient magnetic fields. Simulations show that the Weibel instability created in the collisionless shock front accelerates jet and ambient particles both perpendicular and parallel to the jet propagation direction. The small scale magnetic field structure generated by the Weibel instability is appropriate to the generation of ``jitter'' radiation from deflected electrons (positrons) as opposed to synchrotron radiation. The jitter radiation resulting from small scale magnetic field structures may be important for understanding the complex time structure and spectral evolution observed in gamma-ray bursts or other astrophysical sources containing relativistic jets and relativistic collisionless shocks.

研究の動機と目的

• 自己一貫的な3次元シミュレーションを用いて、相対論的衝突なし衝撃波における粒子加速および磁場生成を調査すること。
• Weibel不安定性が電子-陽電子および電子-イオンプラズマにおいて小スケール磁場を生成し、粒子を加速する役割を特定すること。
• 環境磁場がWeibel不安定性の成長および粒子ダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 小スケール磁場が放射メカニズム、特にシンクロtron放射の代替としての'じりじり'放射に与える影響を検討すること。
• ガンマ線バーストおよび相対論的ジェットで観測される複雑なスペクトル的・時間的変化を理解するための微視的基礎を提供すること。

提案手法

• 85×85×320グリッド上に1億8000万粒子を用いた3次元相対論的電磁気的粒子-場（REMP）シミュレーションを実施。
• 無磁場および磁化された環境プラズマへ向かって進行する相対論的電子-陽電子および電子-イオンジェット（ローレンツ因子γ = 5、vj ≈ 0.98c）をシミュレーション。
• 電子の皮膚厚さλce = 9.6∆およびプラズマ振動数ωpeを用いてシミュレーションスケールを定義し、時間分解能を∆t = 0.013/ωpeとして設定。
• ジェット流れに平行（v∥）および垂直（v⊥）な方向の粒子エネルギーおよび速度分布を追跡。
• Weibel不安定性によって生成される電流フィラメント（Jy, Jx, Jz）および関連磁場（Bx, By）を分析し、磁場構造と成長を評価。
• 質量比の影響を評価するため、電子-陽電子系と電子-イオン系の結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Weibel不安定性は、相対論的電子-陽電子および電子-イオン衝撃波でどのように粒子加速を駆動するか？
• RQ2 環境磁場は、Weibel生成電流フィラメントの成長速度および構造にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 Weibel不安定性が生成する磁場の空間的・スペクトル的特徴は、シンクロtron放射とじりじり放射に必要なものとどのように比較されるか？
• RQ4 異なるプラズマ組成において、横方向と平行方向の粒子加速の相対的効率はどのようになるか？
• RQ5 Weibel不安定性が生成する小スケール磁場構造は、ガンマ線バーストで観測される時間分解能および広帯域スペクトルの複雑さを説明できるか？

主な発見

• Weibel不安定性は、理論的予測と整合する特徴的サイズ ≈11.4∆（≈1.188λce）の小スケール磁場を生成した。
• 電子-陽電子プラズマでは、最大電流密度（Jy）がt = 28.8/ωpeで15.63に達し、電子-イオンプラズマの10.7よりも顕著に高い値を示した。
• 電子-陽電子ジェットでは、横方向の電子加速が電子-イオンジェットの4倍以上にのぼり、Weibel摂動が最も強いz/∆ ≈ 220でピークに達した。
• ジェット内の電子は、自己生成磁場によるローレンツ力の影響で、平行方向（v∥）の運動エネルギーが垂直方向（v⊥）に顕著に転送された。
• 粒子加速およびジェット流れの最大の減速が、z/∆ = 210〜240の領域で発生し、これはWeibel不安定性の振幅が最大になる領域と一致した。
• 環境磁場はWeibel不安定性の成長速度をわずかに低下させ、ピーク電流の振幅を抑制した。これは、先行するシミュレーション結果を確認するものであった。