WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Осипов Сергей Михайлович ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И НЕТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАЗМЕ С РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЧАСТИЦАМИ 01.03.02 — Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2009 2

Работа выполнена в секторе теоретической астрофизики Отделения физики плазмы, атомной физики и астрофизики Учреждения Российской академии наук Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН и Учреждении Российской академии наук Академическом физикотехнологическом университете.

Научный консультант: - профессор, доктор физ.-мат. наук А. М. Быков (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, СанктПетербург)

Официальные оппоненты: - профессор, доктор физ.-мат. наук В. А. Догель (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва) профессор, доктор физ.-мат. наук В. М. Остряков (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург)

Ведущая организация: - Главная астрономическая обсерватория РАН, Пулково (Пулковское шоссе, д.

65/1, 196140, Санкт-Петербург)

Защита состоится 10 декабря 2009 года в 16 часов на заседании диссертационого Совета Д 002.205.03 при ФТИ им. А.Ф. Иоффе по адресу:

Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Автореферат разослан 9 ноября 2009 года.

Учёный секретарь диссертационного совета:

кандидат физ.-мат. наук А. М. Красильщиков 3 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации Процессы быстрого выделения энергии в астрофизической плазме часто сопровождаются сверхзвуковыми течениями и формированием ударных волн. Особую роль ударные волны играют в ускорении заряженных частиц до ультрарелятивистских энергий, формировании спектров нетеплового излучения и генерации магнитных полей в объектах различной природы. Примеры составляют длинный ряд, включающий гаммавсплески, остатки сверхновых звезд (ОСН), скопления галактик и межгалактическую среду [1–6].

Наблюдения остатков сверхновых звезд на черенковских телескопах позволили за последние пять лет получить убедительные доказательства ускорения частиц до энергий свыше 1014 эВ в этих источниках [3]. В это же время, наблюдения с разрешением около секунды дуги на современных орбитальных рентгеновских обсерваториях обнаружили в остатках сверхновых переменные во времени нетепловые структуры, вероятно синхротронного происхождения. Два недавно открытых протяженных ОСН RXJ1713.7-3946 и G266.2-1. (Vela Jr.) имеют континуальные рентгеновские спектры, наиболее вероятно, синхротронного происхождения [7–10]. Синхротронная компонента также была обнаружена в тонких нитях на периферии молодых ОСН Тихо, Кеплер, Кассиопея A [11–15]. Наличие переменных структур синхротронного происхождения интерпретируются как возможное доказательство процессов быстрого ускорения частиц до энергий свыше 1014 эВ с одновременным сильным (до нескольких порядков величины) сверхадиабатическим усилением локального магнитного поля в окрестности бесстолкновительных ударных волн в ОСН. Адекватная интерпретация данных наблюдений требует количественного моделирования и детального понимания нетепловых процессов в бесстолкновительных ударных волнах.

Важным аспектом моделирования процессов, происходящих вблизи сильных бесстолкновительных ударных волн в остатках сверхновых, является возможность значительного усиления турбулентных магнитных полей в префронте. Усиление магнитных флуктуаций может быть реализовано за счет неустойчивостей анизотропных распределений энергичных частиц в префронте сильной ударной волны. В свою очередь, турбулентные магнитные поля влияют на рассеяние заряженных частиц, ускоряемых на фронте ударной волны. В совокупности процессы ускорения частиц и генерации магнитного поля определяют спектры наблюдаемого излучения, пространственную структуру и переменность наблюдаемого рентгеновского излучения.

Лазерная плазма с успехом используется для изучения в лабораторных условиях физических процессов, играющих существенную роль в астрофизической плазме. В частности, исследуются процессы генерации сильных магнитных полей релятивистскими частицами и их нетепловое излучение. Хотя пространственные масштабы лабораторных и космических объектов различаются на многие порядки величин, характерные безразмерные параметры, определяющие физическое состояние и эволюцию таких объектов, в ряде случаев оказываются близкими, что позволяет экспериментально проверять некоторые важные качественные и количественные предсказания моделей астрофизической плазмы. Особый интерес представляет возможность количественной проверки моделей, применяемых для расчетов явлений в астрофизической плазме с ускоренными частицами. Кинетические модели, гибридные и прямые численные модели плазмы, могут быть детально проверены в лабораторных экспериментах с плазмой, содержащей релятивистские электроны, ускоренные лазерным импульсом.

В силу вышесказанного, данная работа посвящена исследованию процессов генерации магнитных полей и формированию нетеплового излучения в плазме с релятивистскими частицами с приложением как к астрофизическим объектам (остатки сверхновых), так и к экспериментам с лазерной плазмой [16, 17].

Цели работы 1. Развить метод описания плазмы с анизотропными распределениями релятивистских частиц. Получить уравнения, описывающие длинноволновую динамику плазмы, содержащей релятивистские частицы с анизотропной функцией распределения.

2. Исследовать длинноволновые неустойчивости плазмы с током релятивистских частиц в префронте ударной волны в остатке сверхновой звезды. Оценить величину усиления крупномасштабных магнитных полей в префронте.

3. Исследовать влияние размытия границ мишени и амбиполярного поля на спектры переходного излучения электронов, ускоренных лазерным импульсом.

4. Исследовать влияние полного внутреннего отражения на спектры излучения Вавилова–Черенкова электронов, ускоренных лазерным импульсом.

Научная новизна 1. Впервые получены усредненные уравнения, описывающие длинноволновую динамику плазмы, содержащей анизотропное распределение ускоренных частиц. Полученные уравнения применимы для исследования длинноволновых возмущений в префронте ударных волн в остатках сверхновых звезд.

2. Впервые в рамках усредненных уравнений, описывающих длинноволновую динамику плазмы с ускоренными частицами, получены показатели роста длинноволновых возмущений. Показана возможность существенного усиления магнитных полей в префронте ударных волн в остатках сверхновых звезд.

3. Впервые исследовано влияние размытия границ мишени и амбиполярного поля на когерентное переходное излучение электронов, ускоренных лазерным импульсом. Предложен метод экспериментального определения размытия границы и величины амбиполярного поля по спектрам переходного излучения ускоренных электронов.

4. Впервые исследовано влияние полного внутреннего отражения на спектр излучения Вавилова–Черенкова в лазерных мишенях. Предложен метод экспериментального определения энергии быстрых электронов по форме спектра излучения Вавилова–Черенкова.

Достоверность научных результатов Достоверность результатов, полученных аналитически и путем численного моделирования, подтверждается использованием апробированных математических и численных методов в рамках физических приближений, применимость которых ограничена четко сформулированными критериями. Применяемый метод усреднения уравнений МГД сравнивается с методами теории -динамо, результаты которой подтверждаются численными расчетами. Теоретически рассчитанные спектры когерентного переходного излучения электронов, ускоренных лазерным импульсом, хорошо согласуются с совокупностью данных лабораторных экспериментов.

Научная и практическая ценность работы Результаты исследований генерации длинноволновых возмущений в префронте ударных волн в остатках сверхновых важны для построения моделей ускорения частиц в области энергий порядка и выше 1014 эВ. Эти результаты позволяют детально описывать нелинейные процессы ускорения частиц в окрестности фронта ударной волны, модифицированной ускоренными частицами. Проведенные расчеты позволяют оценивать максимальные энергии ускоренных частиц и величины усиленных магнитных полей, что необходимо для детальной интерпретации наблюдаемого нетеплового излучения остатков сверхновых звезд в диапазоне от радио- до гамма лучей.

Результаты работы, относящиеся к исследованиям свойств электронов, ускоренных лазерным импульсом, позволяют определять по наблюдаемому когерентному переходному излучению ускоренных электронов такие характеристики экспериментальной системы, как масштаб размытия задней границы мишени и величину амбиполярного поля на ее задней границе. Эти результаты позволяют определять энергию ускоренных лазерным импульсом электронов по спектрам когерентного излучения Вавилова–Черенкова.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод описания динамики длинноволновых возмущений турбулентной космической плазмы с анизотропным распределением релятивистских частиц.

2. Результаты исследования дисперсионных характеристик плазмы с током релятивистских частиц и развитой мелкомасштабной турбулентностью.

3. Механизм усиления длинноволновых возмущений магнитного поля перед фронтом сильной бесстолкновительной ударной волны в остатках сверхновых звезд.

4. Исследование влияния размытия задней границы мишени и амбиполярного поля на интенсивность когерентного переходного излучения электронов мишени, ускоренных лазерным импульсом. Метод оценки масштаба размытия границы плазмы и напряженности амбиполярного поля по соотношению амплитуд гармоник в спектре переходного излучения ускоренных электронов.

5. Исследование спектра когерентного излучения ВавиловаЧеренкова в лазерных мишенях. Метод определения энергии ускоренных электронов, связанный с эффектом полного внутреннего отражения.

Апробация работы Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2006 по 2009 гг. и изложены в 8 печатных работах (включая 4 статьи в реферируемых журналах, входящих в Перечень ВАК). Представленные результаты докладывались на четырех международных конференциях.

1. Bykov A., Osipov S., Toptygin I. Long-wavelength non-resonant instabilities in cosmic ray shock precursors // 37th COSPAR Scientific Assembly.

Held 13-20 July 2008, in Montreal, Canada., p. 428, 2008.

2. Bocchino F., Krassilchtchikov A.M., Kretschmar P., Bykov A.M., Uvarov Yu.A., Osipov S.M., INTEGRAL observations of the region of the supernova remnant IC443 // 36th COSPAR Scientific Assembly. Held 16 - 23 July 2006, in Beijing, China, 2006.

3. С.М. Осипов, К.Ю. Платонов Переходное излучение быстрых электронов лазерной плазмы в тонких фольгах с учетом амбиполярного поля и размытия границы фольги // «Laser Optics 2006», LO’2006, June 30 – July 3, St.-Petersburg, Russia, 2006.

4. S.M. Osipov, K.Yu. Platonov, A.A. Andreev Coherent X-ray bremsstrahlung of laser plasma fast electrons from layer target // «Laser Optics 2008», LO’2008, June 30 – July 3, St.-Petersburg, Russia, 2008.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения (глава 1), пяти глав и заключения, содержит 102 страницы печатного текста, 22 рисунка и список литературы, включающий 104 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (глава 1) к диссертации сформулированы цели и задачи работы, обоснована актуальность работы, новизна и достоверность результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

В главе 2 выполнено усреднение уравнений динамики плазмы, содержащей ускоренные частицы, по масштабам меньше длины пробега релятивистских частиц.

После введения (параграф 2.1), в параграфе 2.2 приведен кинетический вывод дисперсионного соотношения мелкомасштабных мод, которые усиливаются за счет механизма Белла [18]. На основе дисперсионных и поляризационных свойств данных мод в последующих параграфах выполнено усреднение уравнений динамики плазмы. В работе [18] использована система гидродинамических уравнений, которая дает тот же результат, что и кинетический подход.

В параграфе 2.3 выполнено усреднение уравнений посредством построения уравнения для средней электродвижущей силы с учетом наличия в системе анизотропного распределения релятивистских частиц. Получена система уравнений, описывающих динамику крупномасштабных МГДвеличин. Уравнение движения плазмы имеет следующий вид:

V 1 t cr cr + (V)V = - (P + Pcr ) + (( - encrV x)ey - ( - encrV y)ex) + jx jy tc (1) + (( B) B) + V.

t = cor kz dkz k1kz b2(kz ), (2) где V, B - крупномасштабные скорость среды и магнитное поле, cor – корреляционное время мелкомасштабной турбулентности,ex, ey – единичcr ные вектора вдоль осей, перпендикулярных магнитному полю, - крупj номасштабный ток ускоренных частиц, P, Pcr - давления фоновой плазмы и ускоренных частиц, b2(kz) - спектр мелкомасштабной турбулентности, cr j k1 =, ncr - концентрация ускоренных частиц. В уравнении (1) при c B усреднении были оставлены слагаемые, дающие наибольший вклад в рассмотренные далее дисперсионные соотношения. Впервые полученное второе слагаемое в правой части уравнения (1) приводит к развитию крупномасштабной неустойчивости. Метод усреднения электродвижущей силы использованный в работе является обобщением методов теории среднего поля, используемых в –динамо теории [20], на системы с токами релятивистских частиц.

В главе 3 впервые исследованы длинноволновые неустойчивости замагниченной турбулентной плазмы с анизотропными распределениями релятивистских частиц. Особенности анализа связаны с необходимостью расчета кинетического отклика распределения релятивистских частиц на длинноволновые возмущения магнитного поля.

В параграфе 3.1. приводится вывод выражений для фурье-образов отклика тока и давления ускоренных частиц на возмущения магнитного поля. Расчет выполнен на основе модельного кинетического уравнения с интегралом столкновений в приближении сильного (бомовского) рассеяния релятивистских частиц:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»