[论文解读] Modelling Relativistic Astrophysics at the Large and Small Scale

Troels Haugboelle|ArXiv.org|Oct 10, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 55被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种新的广义相对论磁流体动力学（GRMHD）代码，该代码在全局坐标系下演化局部观测者的动力学变量，从而实现与完整爱因斯坦方程求解器的耦合。此外，还引入了一种包含相对论微观物理过程的粒子-网格（PIC）代码，揭示了在对称等离子体中通过双流不稳定性实现的自洽电子加速及激波特构形成，其合成光子谱可直接提取以供观测比较。

ABSTRACT

In this thesis different numerical methods, as well as applications of the methods to a number of current problems in relativistic astrophysics, are presented. In the first part the theoretical foundation and numerical implementation of a new general relativistic magnetohydrodynamics code is discussed. A new form of the equations of motion using global coordinates, but evolving the dynamical variables from the point of view of a local observer is presented. No assumptions are made about the background metric and the design is ready to be coupled with methods solving the full Einstein equations. In the second part of the thesis important results concerning the understanding of collisionless shocks, obtained from experiments with a relativistic charged particle code, are presented. Relativistic collisionless shocks are important in a range of astrophysical objects; in particular in gamma ray burst afterglows and other relativistic jets. It is shown that a strong small scale, fluctuating, and predominantly transversal magnetic field is unavoidably generated by a two-stream instability. The magnetic energy density reaches a few percent of equipartition. A new acceleration mechanism for electrons in ion-electron collisionless shocks is proposed. The mechanism is capable of creating a powerlaw electron distribution in a collisionless shocked region. The non-thermal acceleration of the electrons is directly related to the ion current channels generated by the two-stream instability and is local in nature. Thus the observed radiation field may be tied directly to the local conditions of the plasma and could be a strong handle on the physical processes. (abridged)

研究动机与目标

• 开发一种在全局坐标系下运行、但基于局部观测者参考系演化变量的广义相对论磁流体动力学（GRMHD）代码，确保与完整爱因斯坦方程求解器的兼容性。
• 理解相对论性无碰撞激波的微观物理机制，特别是磁场生成机制与电子加速机制。
• 采用粒子-网格与流体方法联合模拟对称等离子体激波，验证激波特构并估算激波特渡区域的尺度。
• 将完整的相对论性粒子相互作用（如对产生、湮灭与散射）整合进PIC代码中，以生成自洽的合成光子谱。
• 通过建模与离子电流通道相关的非热电子加速机制，直接将可观测辐射场与局部等离子体状态联系起来。

提出的方法

• 在全局坐标系中表述运动方程，但基于局部惯性观测者的视角演化动力学变量，避免对背景度规做任何假设。
• 开发一种GRMHD代码，旨在与完整爱因斯坦方程求解器对接，实现时空与等离子体动力学的自洽建模。
• 采用一种相对论性粒子-网格（PIC）代码，求解完整的麦克斯韦方程组，并包含相对论性散射、对产生、衰变与湮灭等直接微观物理过程。
• 利用PIC代码模拟电子-正电子等离子体中的双流不稳定性，观察宏观激波特构的形成。
• 进行并行流体模拟，以验证对称等离子体中激波特构与过渡区宽度。
• 通过追踪粒子相互作用与辐射过程，直接从PIC模拟中提取合成光子谱，实现与观测数据的直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在全局坐标系下表述广义相对论磁流体动力学，同时在任意时空几何下保持局部物理一致性？
• RQ2 双流不稳定性在相对论性无碰撞激波中生成磁场并加速电子的过程中起何种作用？
• RQ3 能否通过包含相对论性微观物理过程的自洽粒子-网格代码重现流体模拟中观察到的宏观激波特构？
• RQ4 相对论性对称等离子体中激波特渡区域的特征尺度是多少？其与电子静止厚度相比如何？
• RQ5 在伽马射线暴余晖中，能否直接从数值模拟中提取合成光子谱，以实现与观测的直接对比？

主要发现

• 双流不稳定性生成了强而局域的、主要为横向的磁场，其磁能密度可达等能分配的百分之几。
• 识别出一种新的局部非热电子加速机制，由双流不稳定性形成的离子电流通道驱动，产生幂律分布的电子能量谱。
• 对称等离子体中激波特渡区域的尺度估计为50至100倍电子静止厚度，与PIC模拟结果一致。
• 在重现对称等离子体中宏观激波特构方面，粒子-网格模拟与相对论性流体模拟结果具有良好一致性。
• 从PIC模拟中提取的合成光子谱源自微观物理过程的自洽生成，可直接与观测数据对比。
• 观测到的辐射场与局部等离子体状态直接关联，特别是与离子电流通道结构密切相关，为天体物理激波提供了强有力的诊断工具。