[论文解读] 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)|Jun 9, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 70被引用 8

一句话总结

本研究通过在相对论性粒子-网格（PIC）模拟的3D相对论喷流上进行光线追踪，实现了全斯托克斯偏振辐射转移计算，比较了电子-质子（e⁻-p⁺）与电子-正电子（e⁻-e⁺）等离子体成分的差异。结果表明，e⁻-p⁺喷流产生的圆偏振度比e⁻-e⁺喷流强出多个数量级，且线偏振与圆偏振的形态特征截然不同，证明了高分辨率偏振观测在区分河外喷流中等离子体成分方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 研究不同等离子体成分（电子-质子（e⁻-p⁺）与电子-正电子（e⁻-e⁺））对相对论性喷流偏振同步辐射的影响。
• 评估小尺度物理过程（如不稳定性与磁重连）对相对论性喷流可观测偏振特征的影响。
• 评估慢光插值与有限光渡越时间在准确模拟相对论性等离子体中偏振辐射转移中的重要性。
• 证明高分辨率全斯托克斯偏振成像可区分河外源中正常等离子体与对等离子体喷流。
• 强调当前小尺度PIC模拟在模拟天体物理相关尺度上的局限性，并指出需要采用混合计算方法。

提出的方法

• 使用TRISTAN-MPI代码对e⁻-p⁺与e⁻-e⁺喷流进行3D相对论性粒子-网格（PIC）模拟，模拟区域为120×120×240个网格单元。
• 通过等离子体静默厚度、电子洛伦兹因子及电子数密度（ne ≈ 10^1 cm⁻³）推导出的标度因子，将无量纲PIC输出结果转换为物理单位。
• 应用基于MacDonald & Marscher（2018）的偏振辐射转移方案，从模拟的等离子体分布中计算全斯托克斯参数（I, Q, U, V）。
• 在光线追踪中同时实现快光与慢光插值：慢光考虑了光在网格单元间有限渡越时间的影响（每单元10个时间步长），从而改变偏振形态。
• 采用混合计算网格（如图2所示），实现对多个喷流演化阶段的精确光线追踪，使每条射线随时间经历上游等离子体状态。
• 将最终图像与7.5 mas FWHM高斯束卷积，以模拟甚长基线干涉测量（VLBI）分辨率，便于与真实观测对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在e⁻-p⁺与e⁻-e⁺相对论性喷流模拟中，线偏振与圆偏振的形态有何不同？
• RQ2 在相似物理条件下，e⁻-p⁺喷流与e⁻-e⁺喷流的圆偏振度（相对于总强度的分数）分别是多少？
• RQ3 PIC网格单元中有限的光渡越时间如何影响光线追踪图像中的偏振发射形态？
• RQ4 高分辨率全斯托克斯偏振观测在多大程度上可区分正常等离子体与对等离子体喷流？
• RQ5 小尺度不稳定性（如韦ibel不稳定性、开尔文-赫姆霍兹不稳定性）对相对论性喷流中观测到的偏振结构有何影响？

主要发现

• 在相似喷流速度与磁场强度下，e⁻-p⁺等离子体喷流的圆偏振度分数远高于e⁻-e⁺等离子体喷流，高出多个数量级。
• e⁻-p⁺喷流的线偏振（LP）发射呈现更平滑、更具结构的形态，而e⁻-e⁺喷流则表现出更纤维状且不规则的LP结构。
• e⁻-e⁺喷流产生的圆偏振水平显著较低，与同步辐射理论一致，且与对等离子体中电荷不对称性降低有关。
• 慢光插值导致由于有限光渡越时间，视线方向上的发射特征发生可观察到的混合，使形态与快光近似结果不同。
• 慢光图像中的特征并不直接对应于单个等离子体结构，而是视线方向上多个组分的积分发射结果。
• 尽管物理尺寸极小（约150 km³），模拟结果表明，小尺度动力学可产生可被高分辨率偏振观测探测到的宏观偏振特征。