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datestamp: 2020-11-03 08:14:34
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status_changed: 2020-11-03 08:14:34
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Winner, Georg Eckhard
title: On the Evolution and Observational Signatures of Cosmic Ray Electrons in Magnetohydrodynamical Simulations
title_de: Über die Entwicklung und die beobachtbaren Charakteristiken von Elektronen der kosmischen Strahlung in magnetohydrodynamischen Simulationen
subjects: ddc-530
divisions: i-130001
divisions: i-741010
adv_faculty: af-13
cterms_swd: Kosmische Strahlung
cterms_swd: Magnetohydrodynamik
cterms_swd: Stoßwelle
cterms_swd: Strahlung
cterms_swd: Beschleunigung
cterms_swd: Simulation
abstract: Cosmic ray (CR) electrons are ubiquitous in the universe and reveal key insights into the non-thermal physics. Their synchrotron radiation, bremsstrahlung, and inverse Compton emission shed light on the interstellar medium, on galaxies and galactic outflows, on galaxy clusters, and on active galactic nuclei. Models of these emission processes can be tested against observations with magnetohydrodynamical (MHD) simulations. While dynamically important CR protons are often included in MHD simulations, CR electrons are rarely treated because their treatment requires a detailed numerical modeling of their spectra due to complex hysteresis effects. Within the scope of this work, I have developed the efficient post-processing code CREST that evolves spatially and temporally resolved CR electron spectra. This code allows a comparison of CR electron emission signatures to observations by means of multi-frequency spectra and morphology. Further, CREST enables to validate models of CR electron acceleration and to explore whether observations can be explained by leptonic or hadronic interactions. Hence, this work opens up a new capability for MHD simulations of dynamical systems that can be compared to radio, X-ray, and γ-ray observations. I apply CREST to three-dimensional MHD simulations of the supernova remnant of SN 1006. These show that a mixed leptonic-hadronic model explains best the observed γ-ray emission and that CR electrons, similar to CR protons, are preferentially accelerated in environments where the shock direction is quasi-parallel to the upstream magnetic field. In addition, the simulations show that a magnetic field amplification by a volume-filling turbulent dynamo is required and that the Bell amplification needs to be spatially confined to the shock. Both findings are necessary in order to match simultaneously radio, X-ray, and γ-ray observations.
abstract_translated_text: Elektronen der kosmischen Strahlung (CR Elektronen) sind allgegenwärtig im Universum und liefern Schlüsselerkenntnisse über die nicht-thermische Physik. Ihre Synchrotron-, Brems- und inverse Compton-Strahlung geben Aufschluss über das interstellare Medium, über Galaxien und galaktische Ausflüsse, über Galaxienhaufen und über aktive galaktische Kerne. Modelle dieser Emissionsprozesse können mithilfe von magnetohydrodynamischen (MHD) Simulationen gegen Beobachtungen geprüft werden. Während die dynamisch wichtigen CR Protonen häufig einbezogen werden, werden CR Elektronen selten betrachtet, da deren Behandlung eine detaillierte spektrale Modellierung aufgrund komplexer Hystereseeffekten benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich den effizienten Nachbearbeitungscode CREST entwickelt, der Elektronenspektren zeitlich und räumlich aufgelöst entwickelt. Dies erlaubt einen Vergleich der Emissionscharakteristiken von CR Elektronen mit Beobachtungen anhand von Multi-Frequenzspektren und der Morphologie. Ferner ermöglicht CREST, Beschleunigungsmodelle der CR Elektronen zu überprüfen, und zu untersuchen, ob Beobachtungen mit leptonischen oder hadronischen Wechselwirkungen erklärt werden können. Diese Arbeit eröffnet somit eine neue Möglichkeit für MHD Simulationen von dynamischen Systemen, die gleichzeitig mit Radio-, Röntgen und γ-Strahlungsbeobachtungen verglichen werden können. Ich wende CREST auf dreidimensionale MHD Simulationen des Supernovaüberrests von SN 1006 an. Diese Simulationen zeigen, dass ein gemischtes leptonisch-hadronisches Modell die beobachtete γ-Strahlung am besten erklärt und dass CR Elektronen, ähnlich wie CR Protonen, bevorzugt in Umgebungen beschleunigt werden, in denen die Stoßrichtung quasi-parallel zum Magnetfeld stromaufwärts ist. Die Simulationen zeigen zudem, dass eine Magnetfeldverstärkung durch einen volumenfüllenden, turbulenten Dynamo benötigt wird und dass die sogenannte Bellsche Verstärkung räumlich eng an die Stoßfront gebunden sein muss. Beides ist notwendig, um einen gleichzeitigen Angleich an Radio-, Röntgenstrahlungsund γ-Strahlungsbeobachtungen zu erzielen.
abstract_translated_lang: ger
date: 2020
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00028953
fp7_project_id: CRAGSMAN-646955
ppn_swb: 1737624451
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-289531
date_accepted: 2020-10-19
advisor: HASH(0x55fc36c9d840)
language: eng
bibsort: WINNERGEORONTHEEVOLU2020
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Winner, Georg Eckhard  (2020) On the Evolution and Observational Signatures of Cosmic Ray Electrons in Magnetohydrodynamical Simulations.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/28953/1/Doktorarbeit_Georg_Winner.pdf