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Non-Linear Waves in the Laboratory and in Astrophysics : Pair Production in Counter-Propagating Laser Beams and Strong Waves in Pulsar Winds

Arka, Ioanna

German Title: Nicht Lineare Wellen im Labor und in der Astrophysik : Paarerzeugung in entgegengesetzt-propagierenden Laserstrahlen und Starke Wellen in Pulsarwinden

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Abstract

In this work we are investigating non-linear electromagnetic waves in two different physical environments: laboratories on earth and the astrophysical objects known as pulsars. In the first part of our work the interaction of electrons and positrons with strong waves in the form of high intensity laser beams is analyzed. The possibility of emission of energetic radiation which can result in prolific pair production in the focus of two short, counter-propagating ultrahigh intensity laser pulses is examined, taking into account several different possibilities for the relative polarizations and the waveform of the beams. The conclusion is reached that in the next generation laser facilities currently under construction mainly in Europe, like ELI and the 10PW Vulcan laser, pair production and electromagnetic pair cascades should be observed for intensities as low as 10^24Wcm^(-2). In the second part of this work we focus on large amplitude, low frequency waves that are emitted by pulsars. After a brief review of the current understanding of pulsar winds and the problems inherent to it, we show that the interaction of a relativistic striped pulsar wind with the the termination shock should result in reflection of electromagnetic energy in the upstream, which can affect the outflow, creating a precursor. We then investigate the possible conversion of the pulsar wind to a superluminal linearly polarized wave propagating upstream of the termination shock and show that this will result in the transfer of energy from the fields to the outflow particles in the precursor, lowering the magnetization of the outflow and opening the way for further particle acceleration at the shock front.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit untersuchen wir nicht-lineare elektromagnetische Wellen in zwei unterschiedlichen physikalischen Umgebungen: im Labor auf der Erde und in Pulsaren im Weltraum. Im ersten Teil dieser Arbeit analysieren wir die Wechselwirkung von Elektronen und Positronen mit hochintensiven Laserstrahlen. Wir untersuchen die M¨oglichkeit der Emission hochenergetischer Strahlung, welche im Fokus von zwei sich entgegengesetzt-propagierenden Laserstrahlen zur Paarproduktion in der Lage ist. Dazu betrachten wir verschiedene M¨oglichkeiten der relativen Polarisierungen und Wellenformen der Laserstrahlen. Wir zeigen, dass die n¨achste Generation von Lasern die gerade konstruiert werden, wie z.B. ELI und der 10PW Vulcan Laser, Elektonen-Positronen Paare und elektromagnetische Schauer bereits bei Intensit¨aten von 10^24Wcm^(-2) erzeugen kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Wellen mit grosser Amplitude und niedrigen Frequenz, die von Pulsaren ausgesandt werden. Nach einem kurzen ¨ Uberblick ¨uber den momentanen Erkenntnisstand von Pulsarwinden und den damit verbundenen Problemen zeigen wir, dass die Wechselwirkung von relativistischen (”striped”) Pulsarwinden mit dem Schock, der sich bildet wenn der Wind auf das interstellare Medium trifft, eine Reflektion von elektromagnetischer Energie erzeugt. Anschliessend betrachten wir die m¨ogliche Umwandlung des Pulsarwindes zu einer linear-polarisierten Welle mit Phasengeschwindigkeit gr¨osser als die des Lichtes, bevor der Wind den Schock erreicht. Durch diese Umwandlung wird Energie von den Feldern auf die Teilchen ¨ubertragen, was zu einer Verringerung der Magnetisierung des Ausflusses f¨uhrt und somit den Weg frei macht f¨ur weitere Beschleunigung wenn der Schock erreicht ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kirk, Prof. Dr. John G.
Date of thesis defense: 18 July 2011
Date Deposited: 26 Jul 2011 10:50
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: striped winds , pair creation , laser , astrophysics , relativistic astrophysics
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