La aceleración de Fermi , [1] [2] a veces denominada aceleración de choque difusivo (una subclase de la aceleración de Fermi [3] ), es la aceleración que sufren las partículas cargadas cuando se reflejan repetidamente, generalmente mediante un espejo magnético (ver también Mecanismo centrífugo de aceleración ). Se cree que este es el mecanismo principal por el cual las partículas obtienen energías no térmicas en ondas de choque astrofísicas . Desempeña un papel muy importante en muchos modelos astrofísicos, principalmente de choques que incluyen erupciones solares y restos de supernovas . [4]
Hay dos tipos de aceleración de Fermi: aceleración de Fermi de primer orden (en choques) y aceleración de Fermi de segundo orden (en el entorno de nubes de gas magnetizadas en movimiento). En ambos casos, el entorno debe estar libre de colisiones para que el mecanismo sea eficaz. Esto se debe a que la aceleración de Fermi solo se aplica a partículas con energías que exceden las energías térmicas, y las colisiones frecuentes con las partículas circundantes causarán una pérdida de energía severa y, como resultado, no se producirá ninguna aceleración.
Aceleración Fermi de primer orden
Las ondas de choque suelen tener inhomogeneidades magnéticas en movimiento tanto antes como después de ellas. Considere el caso de una partícula cargada que viaja a través de la onda de choque (de aguas arriba a aguas abajo). Si encuentra un cambio en movimiento en el campo magnético, esto puede reflejarlo a través del choque (corriente abajo a corriente arriba) a mayor velocidad. Si ocurre un proceso similar aguas arriba, la partícula volverá a ganar energía. Estos múltiples reflejos aumentan enormemente su energía. El espectro de energía resultante de muchas partículas que se someten a este proceso (asumiendo que no influyen en la estructura del choque) resulta ser una ley de potencia:
donde el índice espectral depende, para los choques no relativistas, sólo del índice de compresión del choque.
El término "primer orden" proviene del hecho de que la ganancia de energía por cruce de choque es proporcional a, la velocidad del impacto dividida por la velocidad de la luz.
El problema de la inyección
Un misterio de los procesos de Fermi de primer orden es el problema de la inyección . En el entorno de un choque, solo las partículas con energías que exceden mucho a la energía térmica (un factor de unos pocos al menos) pueden cruzar el choque y 'entrar en el juego' de la aceleración. Actualmente no está claro qué mecanismo hace que las partículas tengan inicialmente energías suficientemente altas para hacerlo. [5]
Aceleración Fermi de segundo orden
La aceleración de Fermi de segundo orden se relaciona con la cantidad de energía ganada durante el movimiento de una partícula cargada en presencia de "espejos magnéticos" que se mueven aleatoriamente. Entonces, si el espejo magnético se mueve hacia la partícula, la partícula terminará con un aumento de energía al reflejarse. Lo contrario es válido si el espejo retrocede. Fermi (1949) [3] utilizó esta noción para explicar el modo de formación de los rayos cósmicos. En este caso, el espejo magnético es una nube interestelar magnetizada en movimiento. En un entorno de movimiento aleatorio, argumentó Fermi, la probabilidad de una colisión frontal es mayor que la de una colisión frontal, por lo que, en promedio, las partículas se acelerarían. Este proceso aleatorio ahora se llama aceleración de Fermi de segundo orden, porque la ganancia de energía media por rebote depende de la velocidad del espejo al cuadrado,. Sin embargo, el espectro de energía resultante que se anticipa a partir de esta configuración física no es universal como en el caso de la aceleración de choque difusivo.
Referencias
- ^ Krymskii GF (1977) Dokl. Akad. Nauk SSSR 234, 1306
- ^ Bell, Anthony R. (1978). "La aceleración de los rayos cósmicos en los frentes de choque - I" . Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 182 (2): 147-156. Código Bibliográfico : 1978MNRAS.182..147B . doi : 10.1093 / mnras / 182.2.147 . ISSN 0035-8711 .
- ^ a b Sobre el origen de la radiación cósmica, E. Fermi, Physical Review 75, págs. 1169-1174, 1949
- ^ Longair, Malcolm S. (1994). Astrofísica de altas energías, volumen 2 . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-43584-0.
- ^ André Balogh; Rudolf A. Treumann. "Física de los choques sin colisiones: ondas de choque de plasma espacial" . 2013. Sección 7.4 "El problema de las inyecciones". pag. 362.
enlaces externos
- El artículo de David Darling sobre la aceleración de Fermi
- Rieger, Bosch-Ramon y Duffy: Aceleración de Fermi en chorros astrofísicos. Astrophys.Space Sci. 309: 119-125 (2007)