一种高效的 Fokker-Planck 求解器及其在星系团随机粒子加速中的应用
宇宙学与河外天体物理
2015-06-22 v1 高能天体物理现象
摘要
湍流引起的粒子加速在许多天体物理环境中起着重要作用。底层宇宙射线谱的非线性演化十分复杂，通常需用 Fokker-Planck 方程描述并进行数值求解。本文介绍了一种实现方案，用于计算与湍流耦合的宇宙射线谱演化，该方案考虑了各向同性的粒子投掷角分布，并计入了相关的粒子能量增益和损失。我们的代码可用于运行时及后处理阶段，适用于极大规模的天体物理流体模拟。我们还提出了一种新方法，可将宇宙射线谱压缩十倍，以缓解超大规模模拟中的内存需求。我们展示了一系列代码测试，确证了代码的正确性。本文聚焦于相对论性电子，但我们的代码和方法可轻松扩展至强子情形。我们将此流程应用于星系团中粒子加速这一相关问题。我们为星系团内介质中的可压缩 MHD 湍流定义了一个亚网格模型，并从第一性原理计算了相应的再加速时标。随后，我们利用孤立星系团并合的磁流体动力学模拟，追踪了相对论性电子谱及其产生的射电辐射在数十亿年间的演化。
引用
@article{arxiv.1407.2735,
title = {An Efficient Fokker-Planck Solver and its Application to Stochastic Particle Acceleration in Galaxy Clusters},
author = {Julius Donnert and Gianfranco Brunetti},
journal= {arXiv preprint arXiv:1407.2735},
year = {2015}
}