German Title: Diffusen Schockbeschleunigung in strahlungsdominierten Umgebungen

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Abstract

In this work I describe a numerical method developed, for the first time, for the study of Diffusive Shock Acceleration in astrophysical environments where the radiation pressure dominates over the magnetic pressure. This work is motivated by the overwhelming evidence of the acceleration of particles to high energy in astrophysical objects, traced by the non–thermal radiation they emit due to interactions with the gas, radiation fields and magnetic fields. The main objective of this work is to create a generic framework to study self–consistently the interaction of acceleration at shocks and radiative energy losses and the effect such an interplay has on the particle spectrum and on the radiation they emit, in the case when energy losses determine the maximum achievable energy. I apply the developed method to electrons accelerated in three different types of sources: a Supernova Remnant in the Galactic Centre region, a microquasar, and a galaxy cluster. In all three cases the energy losses due to the interaction of electrons with radiation dominate over synchrotron cooling. I demonstrate that there is a strong impact due to the changing features of the inverse Compton scattering from the Thomson to the Klein-Nishina regime, on both the spectrum of accelerated electrons and their broadband emission. I also consider proton acceleration in galaxy clusters, where the particles lose energy during acceleration due to the interaction with the Cosmic Microwave Background radiation. The secondary products from pair production and photomeson processes interact with the same photon field and the background magnetic field, producing broadband electromagnetic radiation from radio to gamma-rays.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird eine numerische Methode zur Berechnung der diffusen Schockbeschleunigung in astrophysikalischen Objekten vorgestellt. Dabei werden zum ersten Mal Umgebungen betrachtet, in denen der Strahlungsdruck über den magnetischen Druck dominiert. Dies ist motiviert durch zahlreichen Hinweise auf Beschleunigung von Teilchen zu den höchsten Energien in Objekten mit starken Strahlungsfeldern: hochenergetische Teilchen reagieren mit Gas, strahlungsfeldern und magnetischen Feldern und senden nicht-thermische elektromagnetische Strahlung aus. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die selbstkonsistente Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Schockbeschleunigung und Strahlungverlusten für den Fall, dass der Energieverlust der Teilchen die maximal erreichbare Energie bestimmt. Insbesondere der Einfluss dieser Wechselwirkung auf das Teilchen- und Strahlungspektrum werden betrachtet. Die entwickelte Methode wird auf die Elektronenbeschleunigung in drei verschiedenen Quelltypen angewandt: Supernova Überreste im galaktischen Zentrum, Mikroquasare und Galaxienhaufen. In allen drei Quelltypen ist der Energieverlust der Elektronen dominiert durch die Wechselwirkung von Elektronen mit anderen Strahlungsfeldern, nicht durch Synchrotronstrahlungverluste. Es wird gezeigt, dass die Änderung der inversen Compton-Streuung beim Wechsel vom Thompson in das Klein-Nishina Regime einen starken Einfluss sowohl auf die beschleunigten Elektronen als auch das emittierte Photonenspektrum hat. Desweiteren wird die Beschleunigung von Protonen in Galaxienhaufen betrachtet, bei der die Protonen Energie durch Wechselwirkung mit den Photonen der kosmischen intergrundstrahlung verlieren. Die sekundären Teilchen, erzeugt durch Paarproduktion und Photon-Meson-Prozessen, interagieren mit den selben Photonenfeldern und dem magnetischen Hintergrundfeld und erzeugen eine Strahlungspektrum vom Radio-Bereich bis zur gamma-Strahlung.