[论文解读] Particle Acceleration, Magnetic Field Generation, and Emission in Relativistic Shocks

Ken‐Ichi Nishikawa, P. E. Hardee+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用 14

一句话总结

本文利用三维相对论性电磁粒子-网格（REMP）模拟研究了相对论性无碰撞激波中的粒子加速、磁场生成及辐射过程。结果表明，激波前缘的Weibel不稳定性可产生小尺度磁场，使电子和正电子在喷流方向的平行与垂直方向均被加速，从而产生‘抖动’辐射——为伽马射线暴及其他相对论性天体物理源中观测到的复杂能谱与时间特征提供了机制解释。

ABSTRACT

Shock acceleration is an ubiquitous phenomenon in astrophysical plasmas. Plasma waves and their associated instabilities (e.g., Buneman, Weibel and other two-stream instabilities) created in collisionless shocks are responsible for particle (electron, positron, and ion) acceleration. Using a 3-D relativistic electromagnetic particle (REMP) code, we have investigated particle acceleration associated with a relativistic jet front propagating into an ambient plasma. We find small differences in the results for no ambient and modest ambient magnetic fields. Simulations show that the Weibel instability created in the collisionless shock front accelerates jet and ambient particles both perpendicular and parallel to the jet propagation direction. The small scale magnetic field structure generated by the Weibel instability is appropriate to the generation of ``jitter'' radiation from deflected electrons (positrons) as opposed to synchrotron radiation. The jitter radiation resulting from small scale magnetic field structures may be important for understanding the complex time structure and spectral evolution observed in gamma-ray bursts or other astrophysical sources containing relativistic jets and relativistic collisionless shocks.

研究动机与目标

• 利用自洽的三维模拟研究相对论性无碰撞激波中的粒子加速与磁场生成过程。
• 确定Weibel不稳定性在电子-正电子与电子-离子等离子体中生成小尺度磁场并加速粒子的作用。
• 研究环境磁场对Weibel不稳定性增长及粒子动力学的影响。
• 探讨小尺度磁场结构对辐射机制的影响，特别是作为同步辐射替代机制的‘抖动’辐射。
• 为理解伽马射线暴与相对论性喷流中观测到的复杂能谱与时间演化提供微观基础。

提出的方法

• 在85×85×320的网格上，采用1.8亿个粒子进行三维相对论性电磁粒子-网格（REMP）模拟。
• 模拟了相对论性电子-正电子与电子-离子喷流（洛伦兹因子γ = 5，vj ≈ 0.98c）在无磁化与有磁化环境等离子体中的传播过程。
• 以电子静止等离子体波长λce = 9.6∆与等离子体频率ωpe定义模拟尺度，时间分辨率为∆t = 0.013/ωpe。
• 追踪粒子在平行（v∥）与垂直（v⊥）于喷流方向上的能量与速度分布。
• 分析由Weibel不稳定性产生的电流丝（Jy, Jx, Jz）及其关联磁场（Bx, By），以评估磁场结构与增长特性。
• 对比电子-正电子与电子-离子系统的结果，评估质量比对不稳定性增长与粒子加速的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Weibel不稳定性如何驱动相对论性电子-正电子与电子-离子激波中的粒子加速？
• RQ2 环境磁场在何种程度上改变Weibel生成电流丝的增长速率与结构？
• RQ3 Weibel不稳定性产生的磁场在空间与能谱特性上，与同步辐射和抖动辐射所需磁场相比有何异同？
• RQ4 在不同等离子体组成中，横向与纵向粒子加速的相对效率如何？
• RQ5 Weibel不稳定性生成的小尺度磁场结构能否解释伽马射线暴中观测到的复杂时间分辨与全波段能谱？

主要发现

• Weibel不稳定性生成的小尺度磁场特征尺寸约为11.4∆（≈1.188λce），与理论预测一致。
• 在电子-正电子等离子体中，最大电流密度（Jy）达到15.63，显著高于电子-离子等离子体中t = 28.8/ωpe时的10.7。
• 电子-正电子喷流中的横向电子加速强度是电子-离子喷流的四倍以上，峰值出现在z/∆ ≈ 220处，此时Weibel扰动最强。
• 喷流电子因自生磁场产生的洛伦兹力，表现出显著的平行（v∥）到垂直（v⊥）运动能量转移。
• 粒子加速与喷流减速最强的区域位于z/∆ = 210至240之间，与Weibel不稳定性振幅最大处一致。
• 环境磁场略微降低了Weibel不稳定性增长速率，并抑制了峰值电流幅度，与先前模拟结果一致。