Plasma-Hybridsimulationen von Stoßwellenvorläufern aus Supernovaüberresten

• Antragstellerin: Dr. Tatyana Liseykina
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278305671

Obwohl die Kosmische Strahlung schon vor einem Jahrhundert entdeckt wurde, ist ihre Ursache noch nicht genau bekannt. Neueste direkte Beobachtungen unterstützen die Hypothese, dass die meiste galaktische kosmische Strahlung aus Supernovaüberresten stammt und diffusive Stoßbeschleunigung der zugrundeliegende Erzeugungsmechanismus ist. Leider erschwert das begrenzte Verständnis des Einschlusses energetischer Teilchen in teilweise ionisierten molekularen Wolken vor den Stoßwellen der Supernovaüberreste, die Änderung der molekularen Wolken durch die Kosmische Strahlung selbst und ihre Ausbreitung in das interstellare Medium die Interpretation der Beobachtungen. Dies bezieht sich vor allem auf die Beobachtungen mit dem Fermi Large Area Telescope, die eine Beziehung zwischen Kosmischer Strahlung und Supernovaüberresten etablieren, möglicherweise mit diffusiven Stößen als Beschleunigungsmechanismus. Die diffusive Stoßbeschleunigung ist ein Prozess, bei dem die beschleunigten Teilchen Instabilitäten treiben, die sie durch Streuung an die Stoßwelle binden, so dass die Teilchen schneller Energie aufnehmen können. Außerdem wirken die beschleunigten Teilchen auf die Struktur der Stoßwelle zurück, wodurch die Beschleunigung noch effizienter wird. Darüberhinaus bieten der starke Druckgradient und der Strom der Kosmischen Strahlung freie Energieträger für weitere Instabilitäten im Stoßwellenvorläufer. Die wichtigsten Instabilitäten stammen somit aus der gleichen Quelle und sollten deshalb gleichberechtigt behandelt werden. Neuesten Studien zeigen, dass zwei nicht-resonante Instabilitäten nicht nur durch eine gemeinsame Energiequelle gespeist werden, sondern auch dynamisch gekoppelt sind. Unser konkretes Ziel in diesem Projekt ist die Wechselwirkung der nicht-resonanten Instabilitäten für den Fall eines beliebigen thermischen-zu-magnetischen Druckverhältnisses sowie die Abhängigkeit von den anderen Plasmaparameter zu erforschen. Um die Dynamik der energetischen Teilchen und die Verstärkung des Magnetfelds im Stoßwellenvorläufer numerisch zu untersuchen, werden wir ein MHD-Kinetik-Hybridmodell entwickeln, in dem sich die kinetische Modellierung auf die Kosmische Strahlung beschränkt. Die Ergebnisse dieser Studien werden uns ermöglichen, die Modifikation des diffusiven Stoßbeschleunigungsspektrums zu berechnen. Nachdem solche entscheidende dynamische Größen, wie die Verstärkung des Magnetfelds, die Plasmaheizung und die Injektionsrate der Kosmischen Strahlung selbstkonsistent berechnet wurden, kann auch die maximale erreichbare Energie Kosmischer Strahlung in Supernovaüberresten bestimmt werden. Diese Größe ist essentiell für den Vergleich mit Beobachtungen, welche die möglichen Beschleunigungsdauern einschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen