[论文解读] Scattering of energetic particles by anisotropic magnetohydrodynamic turbulence with a Goldreich-Sridhar power spectrum in the quasilinear approximation

Benjamin D. G. Chandran|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 2

一句话总结

本文使用准线性理论，计算了在具有Goldreich-Sridhar功率谱的各向异性磁流体动力学湍流中，高能粒子的散射速率。研究发现，此类湍流产生的各项散射不足以解释银河系中宇宙射线输运或激波加速所需的平均自由程，暗示更强的散射必须源于非-GS涨落，例如由宇宙射线流驱动的涨落。

ABSTRACT

Scattering rates for a Goldreich-Sridhar (GS) spectrum of anisotropic, incompressible, magnetohydrodynamic turbulence are calculated in the quasilinear approximation. Because the small-scale fluctuations are constrained to have wave vectors nearly perpendicular to the background magnetic field, scattering is too weak to provide either the mean free paths commonly used in Galactic cosmic-ray propagation models or the mean free paths required for acceleration of cosmic rays at quasi-parallel shocks. Where strong pitch-angle scattering occurs, it is due to fluctuations not described by the GS spectrum, such as fluctuations generated by streaming cosmic rays.

研究动机与目标

• 确定Goldreich-Sridhar（GS）谱湍流是否能产生足够强的粒子散射以支持宇宙射线输运。
• 评估GS模态湍流是否能支持银河系宇宙射线输运模型中所需的平均自由程。
• 评估GS湍流是否能实现准平行激波处宇宙射线加速所需的强各项散射。
• 识别在天体物理环境中强散射的来源，对比GS涨落与其他来源。

提出的方法

• 应用准线性理论，计算各向异性、不可压缩磁流体动力学湍流中的粒子散射速率。
• 采用Goldreich-Sridhar功率谱，对波矢量主要垂直于背景磁场的小尺度涨落进行建模。
• 评估散射速率随粒子能量和湍流各向异性的变化。
• 将预测的散射速率与宇宙射线平均自由程的观测和模型要求进行比较。
• 识别GS谱在解释天体物理环境中强散射方面的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有Goldreich-Sridhar功率谱的湍流能否产生足够强的散射速率以支持银河系宇宙射线输运？
• RQ2 GS模态涨落是否能产生准平行激波处粒子加速所需的强各项散射？
• RQ3 非-GS涨落在宇宙射线环境中实现强散射中起何作用？
• RQ4 GS湍流中波矢量的各向异性如何影响粒子散射效率？

主要发现

• GS谱湍流产生的散射速率过弱，无法解释标准银河系宇宙射线输运模型中采用的平均自由程。
• GS谱预测的散射水平不足以解释准平行激波处高效宇宙射线加速所需的强各项散射。
• 天体物理环境中观测到的强散射很可能源于未被GS谱描述的涨落，例如由宇宙射线流驱动的涨落。
• GS湍流中波矢量的各向异性——几乎垂直于磁场——限制了其对高能粒子散射的有效性。