Zur Dynamik relativistischer Teilchen in astrophysikalischen Plasmen

Mit der vorliegenden Arbeit wird die weltweit erste numerische Simulation eines selbstinduzierten freien Elektronen Lasers (FEL) vorgestellt. Zu ihrer Durchf¨uhrung wurde ein massen– und energieerhaltender ”Particle in Cell Code“–(PIC) verwendet, der es erlaubt eine Region in einer Pulsarmagnetosph¨are entsprechend der kinetischen Plasmatheorie zu behandeln und damit den dort agierenden FEL–Prozeß zu modellieren. Zun¨achst wird die Existenz eines FEL–Szenarios in einer Pulsarmagnetosph¨are motiviert und die physikalischen Parameter an einem solchen Ort dargelegt. Anschließend werden die f¨ur diese Arbeit relevanten Teile der relativistischen, kinetischen Plasmatheorie erarbeitet, soweit dies f¨ur das Verst¨andnis des FEL notwendig ist. Nach einer genauen Beschreibung der verwendeten, numerischen Verfahren werden die Ergebnisse aus der Simulation im Detail diskutiert. Dabei wird nicht nur auf das Anwachsen von elektrostatischen Langmuirwellen eingegangen, sondern auch die Energetik der beteiligten Plasmen und der emittierten Strahlung genau besprochen. In der Simulation zeigen sich viele, bisher nur in theoretischen Arbeiten vorhergesagte Vorg¨ange, deren prognostiziertes Auftreten in der Natur nun noch st¨arker untermauert werden kann. Insgesamt best¨atigen die Ergebnisse aus der Simulation auf eindrucksvolle Weise die Vorstellung, wie ein FEL–Prozeß in einer Pulsarmagnetosph ¨are ablaufen soll. Sowohl die Zeitskalen, als auch die emittierte Leistung und Frequenzen lassen sich gut mit den Erkenntnissen aus den Radiobeobachtungen von Pulsaren in Einklang bringen, was ein starkes Argument f¨ur den FEL als zugrundeliegenden, koh¨arenten Emissionsmechanismus bei Pulsaren ist

Particle Acceleration in three dimensional Reconnection Regions: A New Test Particle Approach

Magnetic Reconnection is an efficient and fast acceleration mechanism by means of direct electric field acceleration parallel to the magnetic field. Thus, acceleration of particles in reconnection regions is a very important topic in plasma astrophysics. This paper shows that the conventional analytical models and numerical test particle investigations can be misleading concerning the energy distribution of the accelerated particles, since they oversimplify the electric field structure by the assumption that the field is homogeneous. These investigations of the acceleration of charged test particles are extended by considering three-dimensional field configurations characterized by localized field-aligned electric fields. Moreover, effects of radiative losses are discussed. The comparison between homogeneous and inhomogeneous electric field acceleration in reconnection regions shows dramatic differences concerning both, the maximum particle energy and the form of the energy distribution.Comment: 11 pages, 21 figure

High Energy Hadronic Acceleration in Extragalactic Radio Jets

Within an electric circuit description of extragalactic jets temporal variations of the electric currents are associated with finite collisionless conductivities and consequently magnetic-field aligned electric fields $E_\parallel$. The maximum field strengths depend on the efficiency of the jet MHD generator $E_\perp$ and the local conversion to the $E_\parallel$ component. The hadronic jet constituents can efficiently be accelerated in such fields all along the jets. To estimate the maximum energy the accelerated jet hadrons can achieve we consider energy loss processes as photon-pion and pair production as well as synchrotron and inverse Compton radiation. It turns out that for the strongest $E_\parallel$ possible the Centaurus A jet is a most promising candidate for the source of the highest energy component of cosmic rays.Comment: 12 pages, 4 figures, in pres

Particle acceleration in three-dimensional tearing configurations

In three-dimensional electromagnetic configurations that result from unstable resistive tearing modes particles can efficiently be accelerated to relativistic energies. To prove this resistive magnetohydrodynamic simulations are used as input configurations for successive test particle simulations. The simulations show the capability of three-dimensional non-linearly evolved tearing modes to accelerate particles perpendicular to the plane of the reconnecting magnetic field components. The simulations differ considerably from analytical approaches by involving a realistic three-dimensional electric field with a non-homogenous component parallel to the current direction. The resulting particle spectra exhibit strong pitch-angle anisotropies. Typically, about 5-8 % of an initially Maxwellian distribution is accelerated to the maximum energy levels given by the macroscopic generalized electric potential structure. Results are shown for both, non-relativistic particle acceleration that is of interest, e.g., in the context of auroral arcs and solar flares, and relativistic particle energization that is relevant, e.g., in the context of active galactic nuclei.Comment: Physics of Plasmas, in prin