Особенности захвата и серфотронного ускорения ультрарелятивистских частиц в космической плазме в присутствии попутной волны

Abstract

Рассмотрено ультрарелятивистское ускорение заряженных частиц электромагнитной волной конечной амплитуды в космической магнитоактивной плазме (серфинг зарядов) в присутствии попутной волны с близкой фазовой скоростью. Используя релятивистские уравнения ускоряемого заряда, получены интегралы движения. Задача сведена к анализу нелинейного, нестационарного уравнения второго порядка диссипативного типа для фазы волны на траектории частицы, которое решается численно. Изучено влияние попутной электромагнитной волны с отличающейся фазовой скоростью на захват и последующее сильное ускорение частиц. Показано, что влияние попутной волны несущественно при выполнении некоторых условий на исходные параметры задачи. В частности, сильное (ультрарелятивистское) ускорение заряда первой волной наблюдается, если при сравнимых амплитудах волн имеется малое, но достаточное различие их фазовых скоростей. Изучена временная динамика колебаний ускоряемого заряда в эффективном потенциале в зависимости от начального значения фазы и релятивистского фактора частицы. На плоскости начальных данных исследована структура области захвата заряженных частиц в режим ультрарелятивистского ускорения. Согласно проведенным численным расчетам область захвата частиц в режим серфинга в присутствии попутной волны с близкой фазовой скоростью становится односвязной.

Розглянуто ультрарелятивістське прискорення заряджених частинок електромагнітною хвилею скінченної амплітуди у космічній магнітоактивній плазмі (серфінг зарядів) за присутності супутньої хвилі з близькою фазовою швидкістю. Використовуючи релятивістські рівняння для заряду, що прискорюється, отримані інтеграли руху. Задача зведена до аналізу нелінійного, нестаціонарного рівняння другого порядку дисипативного типу для фази хвилі на траєкторії частинки, яке розв’язується чисельно. Вивчено вплив супутньої електромагнітної хвилі, фазова швидкість якої дещо відрізняється, на захоплення та подальше сильне прискорення частинок. Показано, що вплив супутньої хвилі несуттєвий при виконанні деяких умов на первісні параметри задачі. Зокрема, сильне (ультрарелятивістське) прискорення заряду першою хвилею має місце, якщо при порівняних амплітудах хвиль є хоч і мала, але достатня різниця їх фазових швидкостей. Вивчена часова динаміка коливань прискорюваного заряду в ефективному потенціалі в залежності від початкового значення фази й релятивістського фактору частинки. На площині початкових даних досліджена структура області захоплення заряджених частинок у режимі ультрарелятивістського прискорення. Згідно проведеним числовим розрахункам за присутності супутньої хвилі з близькою фазовою швидкістю область захоплення частинок у режим серфінгу однозв’язна.

Ultrarelativistic acceleration of the charged particles by an electromagnetic wave of finite amplitude in space magnetoactive plasma (surfing of charges) is considered at the presence of a passing wave with close phase speed. Using the accelerated charged particle relativistic equations the integrals of movement are received. The problem is shown to the analysis of the nonlinear, non-stationary equation of the second order dissipative type for a phase of a wave on a trajectory of a particle which is solved numerically. Influence of a passing electromagnetic wave with distinguished phase speed on capture and the subsequent strong acceleration a particle is investigated. It is shown, that influence of a passing wave insignificantly at performance of some conditions on initial parameters of a problem. In particular, strong (ultrarelativistic) acceleration of a charge by the first wave takes place, if at comparable amplitudes of waves there is small, but a sufficient distinction of their phase speeds. Time dynamics(changes) of accelerated charge oscillations in effective potential is investigated depending on initial value of a phase and the relativistic factor of a particle. On a plane of the initial data the structure of area of capture of the charged particles in a mode of ultrarelativistic acceleration is investigated. According to the carried out numerical calculations at the presence of a passing wave with close phase speed does area of capture of particles in a mode of surfing singly connected.