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Electron and positron acceleration at pulsar wind termination shocks

Giacchè, Simone

German Title: Elektron und Positron Beschleunigung bei Wind Termination Shock Pulsar

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Abstract

Many astrophysical sources are very efficient particle accelerators. Among these, Pulsar Wind Nebulae (PWNe) are excellent laboratories to study the acceleration mechanism because of their proximity and brightness. In these objects, the rotational energy extracted from the central pulsar is converted in a striped-wind consisting of relativistic electrons and positrons and large-amplitude electromagnetic fields. When the wind impacts with the surrounding medium, a relativistic shock forms where the ordered flow of the pulsar becomes randomised and energetic particles emit Synchrotron and Inverse Compton radiation. We study the conversion of the pulsar wind in a strong superluminal wave. The conversion is triggered by the interaction of the wind with the shock when this is sufficiently far away from the pulsar. The shock structure is modified by the superluminal wave and the properties of the modified shock (precursor) depend on the Lorentz factor and magnetisation of the incoming wind. A relatively large fraction of electrons and positrons in the wind is energised and reflected by the turbulent electromagnetic fields in the precursor and is available for further acceleration. We suggest that the onset of the precursor is a solution to the problem of injection in the acceleration mechanism. We investigate the acceleration of the injected particles and we find that it proceeds in two distinct regimes, determined by the relative magnitude of the wavelength of the wind stripes and of the gyro-radius of energetic particles. We discuss the implications of this acceleration scenario in the context of PSR B1259-63, a pulsar powering a PWNe in a binary system.

Translation of abstract (German)

Viele astrophysikalische Quellen sind effiziente Teilchenbeschleuniger. Unter diesen Quellen eignen sich Pulsar Wind Nebulae (PWNe) aufgrund ihrer N\"{a}he und Helligkeit hervorragend f\"{u}r das Studium des Beschleunigungsmechanismus. In diesen Objekten wird die Rotationsenergie des zentralen Pulsars in einen gestreiften Wind (striped-wind) verwandelt, welcher sich aus Elektronen, Positronen und elektromagnetischen Feldern hoher Amplitude zusammensetzt. An der Stelle, an der der Wind auf die umgebende Materie trifft, entsteht eine relativistische Sto{\ss}front, die die einstr\"{o}mende Energie thermalisiert und bewirkt, dass die darin enthaltenen Teilchen Synchrotron- und Inverse-Compton-Strahlung emittieren.\\ Wir untersuchen die Umwandlung des Windes in eine elektromagnetische Welle mit hoher Amplitude und einer Phasengeschwindigkeit, die die des Lichts \"{u}bertrifft (superluminal wave). Die Umwandlung wird durch die Wechselwirkung des Windes mit der Sto{\ss}front bewirkt, vorausgesetzt, dass diese sich in ausreichender Entfernung des Pulsars befindet. Die Struktur der Sto{\ss}front wird dadurch ver\"{a}ndert und erh\"{a}lt, abh\"{a}ngig vom Lorentzfaktor und vom Magnetisierungsgrad des Windes, einen sog. Vorl\"{a}ufer (Precursor). Ein verh\"{a}ltnism\"{a}{\ss}ig hoher Anteil der einstr\"{o}menden Teilchen wird in diesem Precursor (vor)beschleunigt und gespiegelt und erf\"{u}llt dadurch die Voraussetzungen, um weiter beschleunigt zu werden. Die Entstehung des Precursors l\"{o}st damit das Injektionsproblem des sekund\"{a}ren Beschleunigungsmechanismus. Wir untersuchen diesen Mechanismus und finden unterschiedliche Eigenschaften in zwei getrennten Parameterbereichen, die durch die relative Gr\"{o}sse des Gyrationsradius und der Wellenl\"{a}nge der Streifen definiert sind. Wir diskutieren diesen Beschleunigungs Szenario im Zusammenhang mit dem Objekt PSR B1259-63, einem bekannten Bin\"{a}rpulsar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kirk, Prof. Dr. John G.
Date of thesis defense: 22 June 2016
Date Deposited: 26 Jul 2016 08:26
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Uncontrolled Keywords: particle acceleration pulsar pulsar wind
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