플라즈마 충격에서 자기장 증폭과 전자 가속: 밀도 불균형의 영향

초고에너지 방사선 사건 중 가장 강력한 것으로 추정되는 초고속 감마선 폭발(GRB)의 즉각적인 방출은 우주에서 잘 알려져 있습니다. GRB의 첫 관측 이후 수천 건이 감지되었습니다. 이 모든 사건들은 강한 자기장에서 전자의 상대속도 운동으로 인한 에너지 비열 방사선의 공통적인 서명을 가지고 있습니다. 화염구 모델은 제트 내부의 내부 충격을 예측하며, 이는 자기장이 증폭되고 입자가 가속화되는 결과를 가져옵니다. 즉각적인 방출의 근본 물리 메커니즘, 특히 자기장이 어떻게 자발적으로 생성되는지 그리고 전자가 상대속도에 도달하고 페르미 메커니즘에 주입되는지에 대한 논의는 현재 진행 중입니다. 따라서 자기화된 충격의 행동을 탐구하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하는 것은 일관된 자기장 증폭 메커니즘을 찾는 데 관련성이 있습니다.

현재 모델은 균일 밀도 플라즈마 구름 충돌의 대칭성에 초점을 맞추고 있지만, 이 연구에서는 불균등 밀도 플라즈마 구름에 대한 조사를 확장합니다.

각각의 이온과 전자로 구성된 두 플라즈마 구름이 x = 0에서 충돌하는 시뮬레이션 설정을 Fig. 1에 나타냅니다. 밀도 높은 구름의 초기 전자 및 이온 수밀도는 n1과, 희박한 구름의 수밀도는 n2 = n1/10입니다. 두 구름의 속도는 서로 반대 방향이며 x 축과 일치합니다. 박스 프레임에서 각 구름의 모드 vb는 충돌 속도 vc = 2vb/(1 + vb^2/c^2) = 0.9c를 제공합니다. 밀도 높은 구름은 x 방향으로 증가하는 경로를 따라 이동합니다. 모든 종의 초기 온도는 131 keV입니다. 자기 에너지-바리온 에너지 비율 σ는 희박한 구름에서 0.2, 밀도 높은 구름에서 0.02로 설정되었습니다. 전류 전기장의 크기는 각 셀당 입자 수를 고려하여 결정되었습니다.

플라즈마 충격에서의 원추 형성:

우리는 대규모 장기 2D 상대론적 PIC 시뮬레이션을 통해 플라즈마 충돌을 수행했습니다. 전자들의 피크 로렌츠 요소가 결정되었으며, 충격 경계에서의 자기장 방향과 강도가 분석되었습니다. 초기 플라즈마 흐름 방향에 직각인 자기장 성분은 충격 압축에 의해 예상되는 것보다 훨씬 더 증폭되었습니다. 이 증폭으로 인해 충격은 거의 수직이 됩니다. 이는 상응하는 전류 시트가 형성되어 상류 전자 및 이온 입자가 자기화된 충격 전환층에 충돌할 때 발생하는 차이에 반응하기 때문입니다. 상류 플라즈마가 강한 자기장에 충돌하면, 전자는 원래 흐름 방향에서 벗어나지만, 이온의 반응은 훨씬 약합니다. (y, z) 평면에서 전류가 흐르며 자기장을 증폭시킵니다. 전자는 x 방향의 속도가 감소하여 이온보다 뒤처집니다. 이를 통해 Ex > 0이 형성되어 거의 중성성을 회복하려고 시도합니다. 상류에서 들어오는 전자는 이 전기장에 의해 끌려가 상대속도에 도달할 때까지 자기장을 가로질러 이동합니다. 전자의 분포에는 비열적 꼬리가 있으며, 이는 2의 거듭제곱 법칙과 유사합니다. 충격 전환층의 전류 시트에서 자기장 구조가 자성 관의 단면과 유사한 형태로 자라납니다 (Fig. 1). 충격 앞쪽에 플라즈마 섬유가 형성되며, 수직 자기장 줄무늬의 서명도 관찰됩니다. 이는 섬유화 불안정성의 결과입니다. 이러한 자기장은 충격 경계에서 원거리로 전달되며, 그 에너지 밀도는 플라즈마의 열압력을 훨씬 초과합니다. 국지적인 자기 거품이 형성됩니다. 이온, 전자 및 자기 에너지의 에너지 평등은 충격 전환층에서 달성됩니다. 전자 방사선은 2차 과정 (예: 역산란)에 의해 가속화된 종자 광자 집단을 제공할 수 있습니다. 우리는 전자의 가속화를 측정했으며, 약한 밀도의 전자가 상대속도 약 200에 도달함을 발견했습니다.

에너지 평등과 이온과의 상호작용

우리는 필라멘트가 정적이지 않고 로렌츠 힘에 의해 편향되어 작은 소용돌이로 굴러가는 것을 발견했습니다. 이러한 소용돌이들은 서로 합쳐 더 큰 전류 소용돌이를 형성합니다. 2차원 약화에 대한 유효성을 확인하기 위해, 우리는 또한 3차원 단기 시뮬레이션을 수행하였고, 필라멘테이션의 증거를 발견했습니다.

장기 1차원 시뮬레이션:

우리는 가속 및 필드 증폭 과정의 안정성과 SSC 방출 예측을 확인하기 위해 장기 1차원 시뮬레이션을 수행했습니다. 1차원 시뮬레이션에서 시뮬레이션 시간은 919 ω-1 p로 증가되었습니다. 1차원 시뮬레이션에서 역 충격파가 형성되었으며, 이는 2D에서는 짧은 시간 규모로 인해 달성되지 못했습니다. 역 충격파는 그림 1의 x = 350에서 관찰할 수 있습니다. 이온 단계 공간 플롯에는 x = 400, 500에서 두 개의 작은 불연속성이 나타납니다 (그림 2).

상단 패널: 특정 x-운동량 대 변위 단계 공간으로 이온 구름

하단 패널: 로렌츠 인자 대 변위 단계 공간으로 전자 종류는 핫 스팟에서 Compton Sphere Suite 5를 사용하여 생성되었습니다. 이 원존 일정한 2차 방출 과정 모델에서는 주어진 반경으로 구가 자기장으로 투과됩니다. 감마선 에너지로 광자는 상대성 있는 전자를 통해 싱크로트론 과정을 통해 생성되며, 같은 전자 집단으로부터 역 컴튼 산란을 받아 감마선 에너지로 변환됩니다. 모델은 싱크로트론 손실이 SSC 손실보다 지배적이라고 가정합니다. 토먼 산란 교차 단면이 사용되었습니다. 수치 시뮬레이션의 값이 사용되었지만, 축소된 질량 비율에서 실제 값으로 스케일 업해야 합니다. 그림 3에 유도된 스펙트럼을 나타냅니다. 향후 작업에서는 외부 광자 필드 역 컴튼 손실을 포함할 것입니다.

결론:

2차원 시뮬레이션에서, FI는 고온과 거의 평행한 배경 자기장(수직 운동을 억제하는 경향이 있음)에도 불구하고 성장합니다. 거의 평행한 필드는 전진 충격파 전환 층에서 로컬하게 수직 필드로 회전됩니다. 장기 1차원 시뮬레이션은 유사한 자기장 증폭과 전자 가속을 보여주며, 또한 역 충격파가 형성될 만큼 충분히 시간이 흐릅니다. 합성 관측 결과는 메가전자볼트 범위의 방출을 보여줍니다.

Murphy, Dieckmann, Drury