[論文レビュー] Radiation from Particles Accelerated in Relativistic Jet Shocks and Shear-flows

Ken‐Ichi Nishikawa, Philip E. Hardee+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、相対論的ジェット衝撃波およびシアー流における粒子加速と放射を3次元相対論的粒子-場法（RPIC）シミュレーションで検討し、プラズマの組成（e−e+ と e−p+）およびジェットのローレンツ因子が、Weibel不安定性および運動的ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性によって磁場生成に顕著な影響を及えることを示している。主な結果として、電子・陽電子プラズマと比較して、電子・陽子プラズマはより強く、より構造的な磁場と鋭い衝撃波前線を生成することが判明し、これはガンマ線バーストおよびAGNジェットに関連する粒子加速および放射スペクトルに直接的な影響を及える。

ABSTRACT

We have investigated particle acceleration and emission from shocks and shear flows associated with an unmagnetized relativistic jet plasma propagating into an unmagnetized ambient plasma. Strong electro-magnetic fields are generated in the jet shock via the filamentation (Weibel) instability. Shock field strength and structure depend on plasma composition (($e^{\pm}$ or $e^-$- $p^+$ plasmas) and Lorentz factor. In the velocity shear between jet and ambient plasmas, strong AC ($e^{\pm}$ plasmas) or DC ($e^-$- $p^+$ plasmas) magnetic fields are generated via the kinetic Kelvin-Helmholtz instability (kKHI), and the magnetic field structure also depends on the jet Lorentz factor. We have calculated, self-consistently, the radiation from electrons accelerated in shock generated magnetic fields. The spectra depend on the jet's initial Lorentz factor and temperature via the resulting particle acceleration and magnetic field generation. Our ongoing "Global" jet simulations containing shocks and velocity shears will provide us with the ability to calculate and model the complex time evolution and/or spectral structure observed from gamma-ray bursts, AGN jets, and supernova remnants.

研究の動機と目的

• 相対論的ジェット衝撃波および速度シアー層内におけるプラズマの組成（e+e− 対比 e−p+）が磁場生成および粒子加速に与える役割を理解すること。
• ジェットのローレンツ因子がWeibel不安定性および運動的ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性（kKHI）の成長に与える影響、およびそれによる磁場トポロジーに与える影響を調査すること。
• 衝撃波およびシアー領域における動的に生成された磁場内に加速された電子からの自己一貫した放射をモデル化すること。
• マルチスケールかつグローバルなジェットシミュレーションを通じて、ガンマ線バーストおよびAGNジェットで観測される複雑なスペクトル的・偏光的特徴を解釈する基盤を提供すること。
• 衝突しないプラズマにおける運動的不安定性から生じる現実的で自己生成された電磁場を組み込むことにより、放射モデルの不一致を解消すること。

提案手法

• 非磁化された相対論的電子・陽子および電子・陽電子ジェットプラズマが周囲プラズマ中に進展するのを、3次元で大規模並列化された相対論的粒子-場法（RPIC）コードを用いてシミュレーションした。
• Weibel不安定性によって衝撃波が形成され、衝突しない衝撃波内で繊維状の乱流磁場が生成され、その構造はプラズマの組成およびローレンツ因子に依存する。
• 人工的な不連続性を避けるための設定を用いて速度シアー領域をモデル化し、kKHI駆動による磁場生成（e+e− ではAC成分、e−p+ ではDC成分）を研究した。
• シミュレーションから得た磁場および粒子データを用いて、動的に生成された磁場内での電子の粒子加速および放射放出を自己一貫して追跡した。
• グローバルジェットダイナミクスを解像し、初期条件に起因する一時的効果を回避するため、大きな計算領域（8192Δ × 64Δ × 64Δ）と約10億個の粒子を用いた。
• 電子・陽電子プラズマと電子・陽子プラズマの結果を比較することで、イオン質量および電荷が磁場構造および粒子エネルギー効果に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的ジェット衝撃波におけるWeibel不安定性によって生成される磁場の強度および構造は、電子・陽電子プラズマと比較して電子・陽子プラズマ（m_i/m_e = 16）の条件下でどのように変化するか？
• RQ2 速度シアー層におけるkKHIの成長率および磁場トポロジーは、ジェットのローレンツ因子にどのように依存するか？
• RQ3 生成された磁場配置（トロイダル成分対径方向成分）は、ジェット環境における粒子加速および放射放出にどのように影響を与えるか？
• RQ4 相対論的ジェット衝撃波における電子密度プロファイルおよび衝撃波構造は、電子・陽電子プラズマと電子・陽子プラズマでどのように異なるか？
• RQ5 衝撃波およびシアー層における自己生成された電磁場は、ガンマ線バーストおよびAGNジェットの放射スペクトル的・偏光的性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 電子・陽子プラズマ（m_i/m_e = 16）では、重いイオンに起因するアンビポーラ電場のため、前方衝撃波における電子密度の急激な上昇が電子・陽電子プラズマよりも顕著に観察された。
• 運動的ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性（kKHI）の成長率は、やや相対論的ジェット（γ_j = 1.5）のほうが、非常に相対論的ジェット（γ_j = 15）よりも高いことが判明し、低ローレンツ因子で不安定性駆動の乱流が強くなることを示唆した。
• 電子・陽子プラズマでは、速度シアー層における磁場は主にトロイダル成分であるのに対し、電子・陽電子プラズマでは径方向成分がトロイダル成分の約2倍弱にとどまることが分かった。
• 衝撃波およびシアー層の両方で強い電場および磁場が、効率的な粒子加速に寄与しており、ペアプラズマとイオン化プラズマで磁場トポロジーが顕著に異なる。
• 初期のグローバルシミュレーションでは、e+e− と e−p+ プラズマ間で磁場構造および粒子ダイナミクスの明確な違いが観察され、偏光およびスペクトル進化における観測的特徴の違いが予想された。
• 滑らかな遷移を用いることで人工的な磁場の蓄積を回避したため、ジェット環境における不安定性の成長および磁場進化のより現実的な研究が可能になった。