• JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
 
  Bookmark and Share
 
 
Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2021.tde-23032021-160746
Documento
Autor
Nombre completo
Tania Elizabeth Medina Torrejón
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2021
Director
Tribunal
Pino, Elisabete Maria de Gouveia Dal (Presidente)
Comisso, Luca
Lazarian, Alexandre
Lima, Reinaldo Santos de
Santos, Edivaldo Moura
Título en inglés
Study of particle acceleration by magnetic reconnection in relativistic jets
Palabras clave en inglés
acceleration of particles
aceleração de partículas reconexão magnética - magnetohydrodinâmicas (MHD) - método: numérico
jatos (Astonomia).
magnetic reconnection
magnetohydrodynamics (MHD)
methods: numerical
Resumen en inglés
The ubiquitous relativistic jet phenomena associated with black holes play a major role in high and very-high-energy (VHE) astrophysics. In particular, observations indicate that blazars (active galactic nuclei with highly beamed relativistic jets pointing to the line of sight) show highly variable VHE emission, implying extremely compact emission regions. The real mechanism able to explain the particle acceleration process responsible for this emission is still debated, but magnetic reconnection has been lately discussed as a strong potential candidate. In this thesis, by means of three-dimensional special relativistic magnetohydrodinamical (3D-SRMHD) numerical simulations, we investigate the acceleration of test particles injected in a magnetized relativistic jet subject to current driven kink instability (CDKI), which drives turbulence and fast magnetic reconnection. We find that once the turbulence is fully developed in the jet, achieving a nearly stationary state, the amplitude of the excited wiggles along the jet spine also attains a maximum growth, causing the disruption of the magnetic field lines and the formation of several sites of fast reconnection. This occurs after the CDKI achieves a plateau in its non-linear growth. We performed a systematic search of magnetic reconnection sites in the evolved jet and obtained obtained average magnetic reconnection rates of ~ 0.05 (in units of the Alfvén speed) which are comparable to the predictions of the theory of turbulence-induced fast reconnection. Hundreds to thousands of protons injected in the nearly stationary snapshots of the jet, experience an exponential acceleration up to a maximum energy. For a background magnetic field of B ~ 0.1 G, this saturation energy is ~ 10^16 eV, while for B ~ 10 G é ~10^18 eV. The Larmor radius of the particles attaining the saturation energy corresponds to the size of the acceleration region, being of the order of the diameter of the perturbed jet. During this exponential acceleration, the velocity component of the particles that is predominantly accelerated is the parallel one to the local magnetic field. This regime of particle acceleration is very similar in all these evolved snapshots and lasts for several hundred hours until the saturation energy. The simulations reveal a clear association of the accelerated particles with the regions of fast reconnection, indicating its dominant role on the acceleration process. Beyond those saturation values, the particles suffer further acceleration to energies up to 100 times larger, but at a slower rate due to drift in the varying magnetic field. In the early stages of the development of the non-linear growth of CDKI in the jet, when there are still no sites of fast reconnection, injected particles are also efficiently accelerated, but by magnetic curvature drift in the wiggling jet spine. However, in order to particles to be accelerated by this process, they have to be injected with an initial energy much larger than that required for particles to accelerate in reconnection sites. Finally, we have also obtained from the simulations an acceleration time due to reconnection with a weak dependence on the particles energy E, tA E^ 0.1. The energy spectrum of the accelerated particles develops a high energy tail with a power law index p~ -1.2 in the beginning of the acceleration, in agreement with earlier works. Our results provide an appropriate multi-dimensional framework for exploring this process in real systems and explain their complex emission patterns, specially in the very high energy bands and the associated neutrino emission recently detected in some blazars.
Título en inglés
Estudo de aceleração de partículas por reconexão magnética em jatos relativísticos
Palabras clave en inglés
acceleration of particles
aceleração de partículas reconexão magnética - magnetohydrodinâmicas (MHD) - método: numérico
jatos (Astonomia).
magnetic reconnection
magnetohydrodynamics (MHD)
methods: numerical
Resumen en inglés
Os fenômeno onipresente de jatos relativísticos associados a buracos negros desempenha um papel importante na astrofísica de altas e muito altas energias (em inglês, VHE). Em particular, as observações indicam que os blazares (núcleos galácticos ativos com jatos relativísticos de feixe colimado apontando para a linha de visada) mostram emissão VHE altamente variável, implicando em regiões de emissão extremamente compactas. Nesta tese, realizando simulações numéricas tridimensionais relativíticas magnetohydrodinâmicas com relatividade especial (3D-SRMHD), investigamos a aceleração de partículas teste injetadas em um jato magentizado relativístico sujeito à instabilidade de torção desencadeada por correntes (em inglês, current driven kink instability, CDKI), a qual excita turbulência e reconexão magnética rápida. Verificamos que uma vez que a turbulência está totalmente desenvolvida no jato, atingindo um estado quase estacionário, a amplitude das torções excitadas ao longo da coluna do jato também atinge um crescimento máximo, causando o rompimento das linhas do campo magnético e a formação de vários locais de reconexão rápida. Isso ocorre depois que a CDKI atinge um platô em seu crescimento não linear. Realizamos uma identificação sistemática dos sítios de reconexão magnética no jato e obtivemos taxas médias de reconexão magnética de ~ 0.05 (em unidades da velocidade de Alfvén) que são comparáveis às previsões da teoria da reconexão rápida induzida por turbulência. Centenas a milhares de prótons, injetados em passos temporais no qual o jato está aproximadamente estacionário, experimentam uma aceleração exponencial até uma energia máxima. Para um campo magnético no jato de B ~ 0.1 G, esta energia de saturação é ~ 10^16 eV, enquanto para B ~ 10 G é ~10^18 eV. O raio de Larmor das partículas que atingem a energia de saturação corresponde ao tamanho da região de aceleração, sendo da ordem do diâmetro do jato perturbado. Durante essa aceleração exponencial, a componente de velocidade das partículas que é predominantemente acelerada é a paralela ao campo magnético local. Este regime de aceleração de partículas é muito semelhante em todos os intervalos mais evoluídos do jato e dura por várias centenas de horas até a energia de saturação. As simulações revelam uma clara associação das partículas aceleradas com as regiões de reconexão rápida, indicando seu papel dominante no processo de aceleração. Além desses valores de saturação, as partículas sofrem aceleração adicional para energias até 100 vezes maiores, mas a uma taxa mais lenta, devido a drift no campo magnético variável. Nos estágios iniciais do desenvolvimento do crescimento não linear da CDKI no jato, quando ainda não há locais de reconexão magnética rápida, as partículas injetadas também são eficientemente aceleradas, mas por drift devido à curvatura do campo magnético na espinha destorcida do jato. No entanto, para que as partículas sejam aceleradas por esse processo, elas precisam ser injetadas com uma energia inicial muito maior do que a necessária para que as partículas acelerem nos locais de reconexão magnética. Finalmente, também obtivemos das simulações um tempo de aceleração devido à reconexão com uma fraca dependência da energia das partículas E, tA E^0.1. O espectro de energia das partículas aceleradas desenvolve uma cauda de alta energia com índice de lei de potência p~ -1.2, no início da aceleração, o qual é compatível com trabalhos anteriores. Nossos resultados fornecem uma estrutura multidimensional apropriada para explorar aceleração em sistemas reais e explicar padrões de emissão complexos nos mesmos, especialmente nas bandas de energia muito altas e também a emissão de neutrinos associada, recentemente detectados em alguns blazares.
 
ADVERTENCIA - La consulta de este documento queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso:
Este documento es únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro. Esta reserva de derechos afecta tanto los datos del documento como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes del documento es obligado indicar el nombre de la persona autora.
TorrejonTaniaDO.pdf (22.88 Mbytes)
Fecha de Publicación
2021-04-06
 
ADVERTENCIA: Aprenda que son los trabajos derivados haciendo clic aquí.
Todos los derechos de la tesis/disertación pertenecen a los autores
CeTI-SC/STI
Biblioteca Digital de Tesis y Disertaciones de la USP. Copyright © 2001-2021. Todos los derechos reservados.