[논문 리뷰] 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)|2021. 06. 09.

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한 줄 요약

이 연구는 3차원 상대론적 입자-격자(PIC) 시뮬레이션을 기반으로 한 레이 트레이싱을 통해 상대론적 제트에서 전체 스토크스 편광 전달을 수행하며, 전자-프로톤(e−-p+)과 전자-양전자(e−-e+) 플라즈마 조성 간의 비교를 수행한다. e−-p+ 제트는 e−-e+ 제트보다 훨씬 더 강한 순환 편광 수준을 보이며, 선형 및 순환 편광 형태가 뚜렷하게 다름을 확인하여 고해상도 편광 측정이 천체 제트의 플라즈마 조성을 구별하는 데의 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 제트에서 전자-프로톤(e−-p+)과 전자-양전자(e−-e+) 플라즈마 조성 간의 차이가 그들의 편광된 동기복사 방출에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 불안정성 및 자기 재결합과 같은 운동 척도 물리 현상이 상대론적 제트의 관측 가능한 편광 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 정확한 상대론적 플라즈마를 통한 편광 전달에서 느린 빛 보간법과 유한한 빛 도달 시간의 중요성을 평가하기 위해.
• 고해상도 전체 스토크스 편광 영상이 은하간 소스의 정상 플라즈마와 쌍생성 플라즈마 제트를 구별할 수 있음을 보여주기 위해.
• 현재의 소규모 PIC 시뮬레이션들이 천체물리학적으로 관련 있는 척도를 모델링하는 데에 한계가 있으며, 하이브리드 계산 접근법이 필요하다는 점을 강조하기 위해.

제안 방법

• TRISTAN-MPI 코드를 사용하여 120×120×240 격자 셀 영역을 가진 e−-p+ 및 e−-e+ 제트의 3차원 상대론적 입자-격자(PIC) 시뮬레이션을 수행한다.
• 플라즈마 피드 심도, 전자 루프터 인자, 전자 수밀도(ne ≈ 10^1 cm⁻³)를 기반으로 유도된 스케일링 인자를 사용하여 차원 없는 PIC 출력을 물리적 단위로 스케일링한다.
• MacDonald & Marscher(2018)의 기반으로 한 편광 전달 방법을 적용하여 시뮬레이션된 플라즈마 분포에서 전체 스토크스 파라미터(I, Q, U, V)를 계산한다.
• 레이 트레이싱에서 빠른 빛과 느린 빛 보간법을 모두 구현한다: 느린 빛은 격자 셀을 가로질러 유한한 빛 도달 시간을 고려하며, 이는 편광 형태에 영향을 준다(셀당 약 10단계).
• 다중 제트 시점에 걸쳐 정확한 레이 트레이싱을 가능하게 하기 위해 하이브리드 계산 격자를 사용하며(그림 2 참조), 각 레이는 시간이 지남에 따라 상류 플라즈마 상태를 만난다.
• 최종 이미지를 7.5 마이크로초(FWHM) 가우시안 빔으로 콘볼루션하여 실제 관측과 비교하기 위해 VLBI 해상도를 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 e−-p+ 및 e−-e+ 상대론적 제트 시뮬레이션 간 선형 및 순환 편광 형태는 어떻게 다를까?
• RQ2 유사한 물리 조건에서 e−-p+ 제트와 e−-e+ 제트의 순환 편광 비율(총 강도 대비)은 각각 얼마인가?
• RQ3 PIC 격자 셀을 가로질러 유한한 빛 도달 시간이 레이 트레이싱된 이미지의 편광 방출 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 고해상도 전체 스토크스 편광 관측이 정상 플라즈마와 쌍생성 플라즈마 제트 조성 간에 어느 정도로 차별화할 수 있는가?
• RQ5 운동 척도 불안정성(예: Weibel, 켈빈-헬름홀츠)이 상대론적 제트의 관측된 편광 구조에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유사한 제트 속도와 자기장 강도 조건에서 e−-p+ 플라즈마 제트의 순환 편광 비율은 e−-e+ 플라즈마 제트보다 수개의 주기 더 크다.
• e−-p+ 제트의 선형 편광(LP) 방출은 더 매끄럽고 더 구조적인 형태를 띠지만, e−-e+ 제트는 더 섬세하고 불규칙한 LP 형태를 보인다.
• e−-e+ 제트는 동기복사 이론과 일치하며, 쌍생성 플라즈마에서 전하 비대칭성이 감소함에 따라 상당히 낮은 순환 편광 수준을 생성한다.
• 느린 빛 보간법은 빛 도달 시간의 유한성으로 인해 시선 방향에 따라 방출 특징이 관측 가능한 방식으로 뒤섞이며, 이는 빠른 빛 근사와 비교해 실제 형태를 변화시킨다.
• 느린 빛 이미지의 특징은 개별 플라즈마 구조에 직접 대응하지 않으며, 선형 시선을 따라 통합된 여러 구성 요소의 방출을 나타낸다.
• 물리적 크기가 작아서 약 150 km³이지만, 이 시뮬레이션은 운동 척도 다이내믹스가 원칙적으로 고해상도 편광 측정으로 감지 가능한 고체적 편광 서명을 생성함을 보여준다.