Введение
Ускорение часто отражаемых заряженных частиц
Fermi acceleration, sometimes referred to as diffusive shock acceleration (a subclass of Fermi acceleration), is the acceleration that charged particles undergo when being repeatedly reflected, usually by a magnetic mirror (see also Centrifugal mechanism of acceleration). It receives its name from physicist Enrico Fermi who first proposed the mechanism. This is thought to be the primary mechanism by which particles gain non thermal energies in astrophysical shock waves. It plays a very important role in many astrophysical models, mainly of shocks including solar flares and supernova remnants. There are two types of Fermi acceleration: first order Fermi acceleration (in shocks) and second order Fermi acceleration (in the environment of moving magnetized gas clouds). In both cases the environment has to be collisionless in order for the mechanism to be effective. This is because Fermi acceleration only applies to particles with energies exceeding the thermal energies, and frequent collisions with surrounding particles will cause severe energy loss and as a result no acceleration will occur.
Ускорение Ферми, иногда называемое диффузионным ускорением на ударных волнах (подкласс ускорения Ферми), — это ускорение, которое испытывают заряженные частицы при многократном отражении, обычно от магнитных зеркал (см. также центробежный механизм ускорения). Оно названо в честь физика Энрико Ферми, впервые предложившего этот механизм. Считается, что это основной механизм, посредством которого частицы приобретают нетепловую энергию в астрофизических ударных волнах. Он играет важную роль во многих астрофизических моделях, в основном описывающих ударные волны, включая солнечные вспышки и остатки сверхновых. Существуют два типа ускорения Ферми: ускорение Ферми первого порядка (на ударных волнах) и ускорение Ферми второго порядка (в среде движущихся намагниченных газовых облаков). В обоих случаях для эффективности механизма необходимо, чтобы среда была без столкновений. Это связано с тем, что ускорение Ферми применимо только к частицам с энергиями, превышающими тепловые энергии, и частые столкновения с окружающими частицами приведут к значительным потерям энергии, что исключит возможность ускорения.
Fermi acceleration, sometimes referred to as diffusive shock acceleration (a subclass of Fermi acceleration), is the acceleration that charged particles undergo when being repeatedly reflected, usually by a magnetic mirror (see also Centrifugal mechanism of acceleration). It receives its name from physicist Enrico Fermi who first proposed the mechanism. This is thought to be the primary mechanism by which particles gain non thermal energies in astrophysical shock waves. It plays a very important role in many astrophysical models, mainly of shocks including solar flares and supernova remnants. There are two types of Fermi acceleration: first order Fermi acceleration (in shocks) and second order Fermi acceleration (in the environment of moving magnetized gas clouds). In both cases the environment has to be collisionless in order for the mechanism to be effective. This is because Fermi acceleration only applies to particles with energies exceeding the thermal energies, and frequent collisions with surrounding particles will cause severe energy loss and as a result no acceleration will occur.
Ускорение Ферми первого порядка
Ударные волны обычно сопровождаются движущимися магнитными неоднородностями как впереди, так и позади них. Рассмотрим случай заряженной частицы, движущейся через ударную волну (от области выше по потоку к области ниже по потоку). Если она сталкивается с движущимся изменением магнитного поля, это может отразить её обратно через ударную волну (от области ниже по потоку к области выше по потоку) с увеличенной скоростью. Если аналогичный процесс происходит в области выше по потоку, частица снова набирает энергию. Эти многократные отражения значительно увеличивают её энергию. Результирующий энергетический спектр множества частиц, испытывающих этот процесс (при условии, что они не влияют на структуру ударной волны), оказывается степенным законом:
где спектральный индекс зависит, для нерелятивистских ударных волн, только от степени сжатия ударной волны. Термин "первого порядка" происходит от того факта, что прирост энергии при каждом пересечении ударной волны пропорционален , отношению скорости ударной волны к скорости света.
Проблема инъекций
Мистерией процессов ускорения Ферми первого порядка является проблема инжекции. В окрестностях ударной волны только частицы с энергиями, значительно превышающими тепловую (как минимум в несколько раз), могут пересекать волну и "включаться" в процесс ускорения. В настоящее время неясно, какой механизм обеспечивает частицам изначально достаточную энергию для этого.
Ускорение Ферми второго порядка
Ускорение Ферми второго порядка относится к количеству энергии, полученной во время движения заряженной частицы в присутствии случайных движущихся "магнитных зеркал". Так, если магнитное зеркало движется к частице, частица будет в конечном итоге с увеличенной энергией при отражении. Если зеркало отступает, то обратное верно. Это понятие было использовано Ферми (1949) для объяснения способа образования космических лучей. В этом случае магнитное зеркало - это движущееся межзвездное магнитное облако. Ферми утверждал, что в среде случайного движения вероятность столкновения головы больше, чем столкновения хвоста головы, поэтому частицы в среднем ускоряются. Этот случайный процесс теперь называется ускорением Ферми второго порядка, потому что средний прирост энергии на отскок зависит от скорости зеркала в квадрате. Однако, полученный спектр энергии, предсказанный из этой физической настройки, не является универсальным, как в случае ускорения диффузионного удара.