Monte Carlo Simulations of Relativistic Shock Acceleration
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3024800Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2677]
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Vi studerer såkalt første ordens Fermi-akselerasjon for kosmisk stråling,altså partikkelakselerasjon i sjokkbølger, som er den mest populære mekanis-men for å forklare energispekteret til kosmisk stråling for for energier underdet såkalte ”kneet”. Vi tar utgangspunkt i en eksisterende Monte Carlometode som simulerer sjokkaskelerasjon i ikke-relativistiske sjokkbølger,og oppgaven gjannomgår det teoretiske grunnlaget samt implementasjo-nen av de modifikasjonenen som er nødvendige for å generalisere mod-ellen til også fungere for relativistiske sjokkbølger. Underveis gis ogsåen gjennomgang av fundamental og underliggende transportteori som ernødvendig for å forstå sjokkdannelse både i ikke-relativistiske og rela-tivistiske fluider, samt teori som er nødvendig for å beskrive bevegelsentil ladde partikler in turbulent plasma, og de grunnleggende prinsippenebak Fermi-mekanismen. Til slutt presenterer vi energispektra for kosmiskstråling produsert i både ikke-relativistiske og relativistiske sjokkbølger,som er beregnet med den forbedrede modellen. Vi påpeker også noenbegrensninger med metoden og fremmer noen forbedringsforslag som tileventuelle framtidige arbeider, samt noen mulige anvendelser koden. We consider the first order Fermi acceleration process of cosmic ray par-ticles, i.e. shock acceleration, which is the most popular mechanism forexplaining the spectrum of cosmic ray energies below the so called ”knee”.Starting from a Monte Carlo simulation valid for acceleration in non-relativistic shocks, the thesis reviews the theoretical groundwork for andimplements the modifications required to generalize the model to workalso for the case of relativistic shock velocities. Along the way we reviewthe required transport theory needed to understand both relativistic andnon-relativistic shock dynamics, as well as cosmic ray propagation in tur-bulent plasmas, and we provide a review of the fundamentals of the Fermiprocess. Finally we present the cosmic ray spectra computed with theimproved method, which are in good agreement with expectations andobservations. We also identify some limitations of the model and proposehow it can be improved further in future works, as well as some possibleapplications for the code.