[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过三维相对论性粒子-网格（RPIC）模拟研究了相对论喷流激波和剪切流中的粒子加速与辐射，表明等离子体成分（e⁻e⁺ 与 e⁻p⁺）以及喷流洛伦兹因子对韦伯不稳定性与动能开尔文-亥姆霍兹不稳定性（kKHI）驱动的磁场生成具有决定性影响。关键结果表明，电子-离子等离子体产生的磁场更强、更具结构化，且激波前沿更尖锐，相较于对等离子体，这直接影响了粒子加速与辐射谱，与伽马射线暴和活动星系核喷流的观测密切相关。

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.

研究动机与目标

• 理解等离子体成分（e⁻e⁺ 与 e⁻p⁺）在相对论性喷流激波与速度剪切层中对磁场生成与粒子加速的作用。
• 研究喷流洛伦兹因子如何影响韦伯不稳定性与动能开尔文-亥姆霍兹不稳定性（kKHI）的增长，以及由此产生的磁场拓扑结构。
• 在激波与剪切区域中，对动态生成的磁场内电子加速过程进行自洽辐射建模。
• 通过多尺度、全局喷流模拟，为解释伽马射线暴与活动星系核喷流中观测到的复杂谱线与偏振特征提供基础。
• 通过在无碰撞等离子体中引入来自动力学不稳定的自洽电磁场，解决现有辐射模型中的矛盾之处。

提出的方法

• 采用三维、大规模并行化的相对论性粒子-网格（RPIC）代码，模拟未磁化、相对论性电子-离子与电子-正电子喷流等离子体在周围等离子体中的传播。
• 通过韦伯不稳定性模拟激波形成，该过程在无碰撞激波中生成纤维状、湍流磁场，其结构取决于等离子体成分与洛伦兹因子。
• 采用避免人为不连续性的设置模拟速度剪切区域，从而研究kKHI驱动的磁场生成（e⁻e⁺中为交流场，e⁻p⁺中为直流场）。
• 自洽追踪电子在动态生成磁场中的加速与辐射发射过程，利用模拟获得的场与粒子数据。
• 采用大计算域（8192Δ × 64Δ × 64Δ），包含约10亿个粒子，以解析全局喷流动力学，避免初始条件引起的瞬态效应。
• 对比电子-正电子与电子-质子等离子体的结果，以分离离子质量与电荷对磁场结构与粒子能量增益的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离子体成分（e⁻e⁺ 与 e⁻p⁺）如何影响相对论性喷流激波中韦伯不稳定性生成的磁场强度与结构？
• RQ2 在速度剪切层中，kKHI的增长率与磁场拓扑结构如何依赖于喷流洛伦兹因子？
• RQ3 由此产生的磁场构型（环向与径向分量）如何影响喷流环境中粒子加速与辐射发射？
• RQ4 在相对论性喷流激波中，电子-正电子与电子-离子等离子体在激波结构与电子密度分布上存在哪些差异？
• RQ5 激波与剪切层中自洽生成的电磁场如何影响伽马射线暴与活动星系核喷流辐射的谱线与偏振特性？

主要发现

• 由于较重离子产生的空间电荷场，电子-离子等离子体（m_i/m_e = 16）在前向激波处电子密度的上升更尖锐，相较于电子-正电子等离子体。
• 在中等相对论性喷流（γ_j = 1.5）中，kKHI的增长率高于高度相对论性喷流（γ_j = 15），表明在较低洛伦兹因子下不稳定性驱动的湍流更强。
• 在电子-质子等离子体中，速度剪切层的磁场主要呈环向，而在电子-正电子等离子体中，径向磁场分量约为环向分量的两倍弱。
• 激波与剪切层中强电场与磁场有利于高效粒子加速，且对等与离子化等离子体的磁场拓扑结构存在显著差异。
• 初步的全局模拟显示，e⁻e⁺与e⁻p⁺等离子体在磁场结构与粒子动力学上存在明显差异，表明其在偏振与谱演化上具有不同的观测特征。
• 通过平滑过渡避免了人为的磁场堆积，使得在喷流环境中对不稳定性增长与磁场演化进行更真实的模拟成为可能。