[论文解读] Anomalous Transport and Particle Acceleration at Shocks

P. Duffy, J. G. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 1995

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 7

一句话总结

本文研究了激波环境中异常的跨场输运，提出粒子扩散由随机磁场区域中的磁力线漂移所主导。推导出从亚扩散到复合扩散转变的临界能量阈值，表明只有当磁场相干长度 λ < R(U/v)¹/² 时，扩散激波加速才具有可行性，从而为超新星遗迹中准垂直激波处的粒子加速设定了物理极限。

ABSTRACT

The theory of first order Fermi acceleration at shocks assumes that particles diffuse due to scattering off slow-moving magnetic irregularities. However, cosmic rays are closely tied to magnetic field lines, and the transport process, particularly across the direction of the field, is likely to be more complicated. To describe cross field transport we employ recent extensions of the Rechester-Rosenbluth theory in localised stochastic regions of magnetic field. During acceleration at a shock and when the motion along the field is diffusive, there is a transition at a critical energy from \lq\lq sub-diffusive q q\ motion, where the mean square displacement of a particle increases with time as $t^{1/2}$, to compound diffusion, a combined process involving diffusion along a magnetic field which is itself wandering. Requiring this critical energy to be less than the system cut-off in a SNR of radius $R$ places an upper limit on the coherence length, $λ$, of the magnetic field for which diffusive shock acceleration can occur at quasi-perpendicular shocks when field line wandering dominates the effective transport of particles: $λ

研究动机与目标

• 理解异常跨场输运如何影响天体物理激波处的粒子加速。
• 在磁力线发生漂移的随机磁场中建模粒子运动，以改变输运行为。
• 确定在准垂直激波处扩散激波加速仍有效的条件。
• 推导出标志着从亚扩散到复合扩散转变的临界能量阈值。
• 约束超新星遗迹中高效粒子加速所允许的最大磁场相干长度。

提出的方法

• 将Rechester-Rosenbluth理论扩展至局部随机磁场区域，以模拟跨场输运。
• 分析沿自身发生扩散漂移的磁力线上的粒子运动。
• 在亚扩散区域推导出均方位移随时间呈 t¹/² 的标度关系。
• 采用复合扩散模型描述粒子沿磁场方向扩散与磁力线漂移的综合效应。
• 将该模型应用于半径为 R、激波速度为 U 的超新星遗迹激波。
• 推导出从亚扩散向复合扩散转变的临界能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁力线漂移如何影响激波环境中跨磁场的粒子输运？
• RQ2 粒子输运从亚扩散过渡到复合扩散的临界能量是多少？
• RQ3 在何种条件下扩散激波加速可在准垂直激波处运行？
• RQ4 有效粒子加速所允许的最大磁场相干长度是多少？
• RQ5 激波速度与粒子速度如何影响相干长度的上限？

主要发现

• 从亚扩散向复合扩散的转变发生在由系统参数决定的临界能量处。
• 在亚扩散区域，粒子的均方位移随时间以 t¹/² 的方式增长。
• 只有当磁场相干长度 λ 小于 R(U/v)¹/² 时，扩散激波加速才具有可行性。
• 当磁力线漂移主导有效粒子输运时，出现这一相干长度限制。
• 该模型暗示了在超新星遗迹中高效粒子加速所允许的 λ 的物理上限。
• 推导出亚扩散区域的加速速率，并表明其影响高能宇宙射线的起源。