超相对论冲击波中的粒子加速：理论与模拟

我们考察了在洛伦兹因子 Gamma_s >> 1 的超相对论冲击波附近对带电粒子的加速过程。我们对加速过程进行了模拟，并将其与半解析计算的结果进行比较。我们表明，超相对论冲击波处的加速结果谱为幂律形式，N(E) \propto E^{-s}，其中幂律指数 s \approx 2.2 - 2.3 为近似普遍值。我们确认，超相对论等价的冲击波处的费米加速与其非相对论对应形式不同，主要体现在加速后粒子分布在冲击波附近存在较大各向异性。在上游流体的参考系中，粒子只有当其运动方向位于开口角为 theta_c \approx 1/Gamma_s 围绕冲击波法向的窄小损失锥内时才能超过冲击波。我们还表明，所有物理上合理的偏转或散射机制都只能使源于下游的相对论粒子在上游飞行方向上产生仅微小的改变：Delta theta ~ 1/Gamma_s。这限制了每次冲击波穿越循环中能量的变化为 Delta E ~ E，除非是首次循环，其中粒子来自上游。在这种情况下，来自上游的能量将因那些被散射回上游区域的粒子而获得约 Gamma_s^2 的提升。