Over magnetische reconnectie en deeltjesversnelling in relativistische plasmas

Het onderzoek in deze thesis is met name gericht op zwarte gaten en sterren. De objecten die bestudeerd worden, hebben typisch extreem sterke elektromagnetische velden, die de macroscopische dynamica bepalen. Hoog-energetische stromingen die worden uitgestoten vanaf de magnetosfeer zijn onderscheidende onderdelen van zulke objecten. Explosieve vlammen, die vormen door vrijgekomen magnetische energie in de vorm van relativistische deeltjes, zijn een belangrijk voorbeeld van zulke uitstromen. Zowel de omgeving van deze objecten als de uitstromen bestaan uit een gas van geladen deeltjes, ook wel een plasma genoemd. De microscopische dynamica van het plasma wordt beschreven door deze deeltjes. Met een combinatie van moderne theoretische en numerieke methoden worden de globale dynamica van de plasma-uitstromingen en de interactie met de hoog-energetische deeltjes bestudeerd in astrofysische omgevingen.

Magnetohydrodynamica (MHD) koppelt het plasma met het elektromagnetisch veld. Dit kader van vergelijkingen verklaart vele geobserveerde plasma-fysische fenomenen in het Heelal op de globale schaal. MHD kan echter niet de deeltjesdynamica beschrijven. Kinetische theorie kan de niet-lineaire interactie tussen geladen deeltjes en elektromagnetische velden volledig beschrijven. De toepassing van kinetische theorie in astrofysische numerieke simulaties is echter typisch zeer veeleisend en voldoet in het algemeen niet om de volledige dynamica op globale schaal accuraat te beschrijven. In deze thesis proberen we dit probleem op te lossen door de een combinatie van MHD methoden met testdeeltjes toe te passen. De deeltjes worden beschouwd als niet-interagerend en volgen slechts de elektromagnetische velden zoals voorzien door de MHD, zonder dat ze als bron werken voor de velden. Met deze methode kunnen de mechanismes achter de deeltjesversnelling tot extreme energieën geanalyseerd worden.

Een van deze versnellingsmechanismen in astrofysische fenomenen is magnetische heraansluiting, ook wel reconnectie. Gedurende reconnectie, breken magnetische veldlijnen vanwege de weerstand in het plasma. De overdaad aan energie in het magneetveld verspreidt zich en wordt overgebracht naar de deeltjes die zich in het plasma bevinden. Dit proces wordt gezien als het algemene mechanisme achter de vorming van explosieve vlammen rondom sterren en zwarte gaten. In de beschrijving van magnetische heraansluiting spelen zowel MHD als kinetische theorie een essentiële rol op zeer verschillende tijd- en lengteschalen. Het is momenteel onduidelijk hoe accuraat de fysica beschreven wordt door MHD en op welke schalen kinetische theorie nodig is om reconnectie te begrijpen. In deze thesis wordt dit probleem aangepakt door de uitvoering en vergelijking van simulaties met zowel MHD methoden en testdeeltjesmethoden, in astrofysische condities. De MHD methode beschrijft de interactie tussen het globale gas met de elektromagnetische velden, terwijl de testdeeltjesmethode de deeltjesdynamica en deeltjesversnelling in de MHD velden beschrijft. De deeltjesmethode die gebruikt wordt in dit werk is gepresenteerd vanuit de grondbeginselen en wordt getest voor een reeks typische astrofysische problemen.

Weerstand is een essentieel onderdeel in de MHD beschrijving van magnetische heraansluiting. Energie verspreidt zich van het macroscopische, gemagnetiseerde gas naar de microscopische schaal, geleid door de weerstand. Op deze lengteschalen, wordt reconnectie typisch gevolgd door de vorming van zogenaamde plasmoïdes, smalle magnetische eilandjes die omgeven en begrensd worden door een sterk magnetisch veld. Deze plasmoïdes, die bestaan uit hoog-energetische deeltjes, kunnen uitgroeien tot macroscopische vlammen. MHD simulaties die de weerstand van het plasma niet in beschouwing nemen kunnen de vorming van plasmoïdes en de daaropvolgende deeltjesversnelling en waarneembare vlam-vorming niet beschrijven. Om het mysterie van vlam-vorming als gevolg van reconnectie op te lossen, worden er nieuwe MHD methoden die weerstand in ogenschouw nemen, ontwikkeld, gepresenteerd en gebruikt in deze thesis. Deze methoden kunnen de lagere lengteschalen accuraat in beeld brengen. De moeilijkheid voor MHD methoden die plasma-weerstand niet negeren, ligt in het feit dat de dynamica die beschreven moet worden, plaatsvindt op zeer verschillende tijd- en lengteschalen. De reconnectie vindt plaats op de microscopische schaal met korte tijdschalen en de typische astrofysische dynamica vindt plaats op de macroscopische schaal met lange tijdschalen. Met een combinatie van methoden worden de korte tijdschalen en de lange tijdschalen apart van elkaar opgelost, zodat de berekeningen efficiënt uitgevoerd kunnen worden.

Om de extreme verschillen tussen de lengteschalen in astrofysica te beschrijven maken we gebruiken van adaptieve verfijning van het numerieke rooster. Het onderliggende rooster waarop de numerieke berekeningen worden gedaan kan verfijnd worden gedurende een simulatie. Gebaseerd op dynamische eigenschappen, kan er besloten worden het rooster te verfijnen wanneer het nodig is om een kleinere lengteschaal te beschrijven. Aangezien in astrofysische problemen vaak een klein gedeelte van het domein van een object aspecten vertoont van reconnectie of onderliggende microscopische fysica kan de verfijning van het rooster in zo een specifiek gebied de rekentijd reduceren en de accuraatheid van de oplossing verhogen. Met gebruik van adaptieve roosterverfijning, zijn we in staat om MHD simulaties uit te breiden naar regimes van zeer lage, maar niet afwezige plasma-weerstand. Deze regimes zijn tot op heden niet accuraat opgelost vanwege een rooster resolutie die niet hoog genoeg is om de microscopische schalen te beschrijven.

In extreme astrofysische omgevingen is het noodzakelijk om een accurate beschrijving te geven van de deeltjesdynamica om realistische informatie te verkrijgen over energiespectra die vergeleken kunnen worden met observaties. Een combinatie van MHD methoden met testdeeltjes wordt toegepast in grootschalige simulaties van interagerende magnetische eilanden in 2D en interagerende magnetische flux buizen in 3D. De parameters zijn zo gekozen dat ze in overeenstemming zijn met typische omstandigheden in stellaire coronae, pulsar wind nebulae of in de magnetosfeer van sterren of zwarte gaten. Reconnectie wordt geanalyseerd op basis van globale en lokale MHD indicatoren, zoals een sterk elektrisch veld, een elektrische stroom en de vorming van plasmoïdes. In alle geanalyseerde gevallen worden gelokaliseerde reconnectie zones gevormd en we verkennen de effecten van numerieke resolutie, plasma-weerstand, plasma-β en plasma-σ. Simulaties van testdeeltjes geven inzicht in versnellingsmechanismen en deeltjesbanen in de reconnectie zones en produceren energiespectra die vergeleken kunnen worden met observaties.