费米加速

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费米加速 [1][2]有时也称为“扩散冲击加速”(费米加速[3]的子类别),是带电粒子(通常是在磁镜中)来回反弹时所经历的加速机制(另请参见“加速离心机制英语Centrifugal mechanism of acceleration” )。 人们认为这是粒子在天体震波中获得非热能的主要机制。它在许多天体模型(主要是震波的模型,包括太阳耀斑超新星残骸)中有着非常重要的作用。[4]

费米加速有两种类型:一级费米加速(在震波中)和二级费米加速(在移动磁化云气的环境中)。在这两种情况下,环境都必须无碰撞,才能机制有效。 这是因为费米加速仅适用于能量超过热能的粒子,与周围粒子的频繁碰撞会导致严重的能量损失,因此不会产生加速度。

一级费米加速[编辑]

通常在震波的前方和后方都具有移动的磁场不均匀性。考虑带电粒子通过震波(从上游到下游)传播的情况。如果它遇到移动的磁场变化,则会用更高的速度被反射(从下游到上游)通过震波。如果粒子回到上游时发生类似过程,它将再次获得能量。这种多次反射会大幅增加它的能量。结果,经历此过程的许多粒子,其能谱(假设它们不影响震波的结构)满足指数律

其中,对于非相对论性震波,谱指数 ,且仅取决于震波的压缩比。


因为每个震波的能量增加“正比”于震波的速度与光速的比值,所以用“一级”这个词来描述它。

入射问题[编辑]

一级费米过程的一个未解之谜是入射问题 。在震波的环境中,只有那些能量超过热能很多(至少为几分之一)的粒子才能穿过震波并进入加速的“游戏”。人们目前尚不清楚,是什么样的机制导致粒子最初有够高的能量来做到这一点。[5]

二级费米加速[编辑]

存在随机移动的“磁镜”时,二级费米加速与带电粒子运动过程中获得的能量有关。因此,如果磁镜朝向粒子前进,则粒子最终会在反射时增加能量。如果镜子后退,则相反。费米(1949)[3]使用了这一概念来解释宇宙射线的形成方式。在这种情况下,磁镜是移动的星际磁化云气。费米推论,在随机运动的环境境中,迎头(head-on)碰撞的可能性大于追尾(head-tail)碰撞的可能性,因此平均而言,粒子会被加速。 现在我们将这种随机过程称为二级费米加速,因为每次反弹的平均能量增加取决于反射镜速度的平方。但是,从这种物理结构中预期得到的能谱并不像在扩散震波加速的情况下那么普遍。

参考文献[编辑]

  1. ^ Krymskii G.F. (1977) Dokl. Akad. Nauk SSSR 234, 1306
  2. ^ Bell, Anthony R. The acceleration of cosmic rays in shock fronts - I. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1978, 182 (2): 147–156. Bibcode:1978MNRAS.182..147B. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/182.2.147. 
  3. ^ 3.0 3.1 On the Origin of the Cosmic Radiation, E. Fermi, Physical Review 75, pp. 1169-1174, 1949
  4. ^ Longair, Malcolm S. High Energy Astrophysics, Volume 2. Cambridge University Press. 1994 [2020-07-25]. ISBN 978-0-521-43584-0. (原始内容存档于2020-07-29). 
  5. ^ André Balogh; Rudolf A. Treumann. "Physics of Collisionless Shocks: Space Plasma Shock Waves"页面存档备份,存于互联网档案馆). 2013. Section 7.4 "The Injection Problem". p. 362.

外部链接[编辑]