Ускорение Ферми , [1] [2] , иногда называемое диффузионным ударным ускорением (подкласс ускорения Ферми [3] ), представляет собой ускорение , которому подвергаются заряженные частицы при многократном отражении, обычно от магнитного зеркала (см. также Центробежный механизм ускорение ). Свое название он получил от физика Энрико Ферми , который первым предложил этот механизм. Считается, что это основной механизм, с помощью которого частицы приобретают нетепловую энергию в астрофизических ударных волнах . Он играет очень важную роль во многих астрофизических моделях, в основном в моделях ударных волн, включая солнечные вспышки и остатки сверхновых . [4]
Существует два типа ускорения Ферми: ускорение Ферми первого порядка (в ударных волнах) и ускорение Ферми второго порядка (в среде движущихся облаков намагниченного газа). В обоих случаях среда должна быть бесконфликтной, чтобы механизм был эффективным. Это связано с тем, что ускорение Ферми применимо только к частицам с энергией, превышающей тепловую энергию, а частые столкновения с окружающими частицами вызовут серьезную потерю энергии, и в результате ускорения не произойдет.
Ударные волны обычно имеют движущиеся магнитные неоднородности как предшествующие, так и следующие за ними. Рассмотрим случай, когда заряженная частица движется сквозь ударную волну (сверху вниз по потоку). Если он столкнется с движущимся изменением магнитного поля, это может отразить его обратно через ударную волну (вниз по течению вверх по течению) с увеличенной скоростью. Если аналогичный процесс произойдет вверх по потоку, частица снова наберет энергию. Эти множественные отражения значительно увеличивают его энергию. Результирующий энергетический спектр многих частиц, претерпевающих этот процесс (при условии, что они не влияют на структуру ударной волны), оказывается степенным законом:
где спектральный индекс зависит для нерелятивистских ударных волн только от степени сжатия шок.
Термин «первый порядок» происходит от того факта, что выигрыш в энергии за одно прохождение ударной волны пропорционален скорости ударной волны, деленной на скорость света.
Загадкой ферми-процессов первого порядка является проблема инжекции . В условиях ударной волны только частицы, энергия которых значительно (по крайней мере, в несколько раз) превышает тепловую энергию, могут пересечь ударную волну и «вступить в игру» ускорения. В настоящее время неясно, какой механизм заставляет частицы изначально иметь достаточно высокую энергию для этого. [5]
Ускорение Ферми второго порядка связано с количеством энергии, полученной при движении заряженной частицы в присутствии хаотически движущихся «магнитных зеркал». Итак, если магнитное зеркало движется к частице, частица при отражении получит увеличенную энергию. Обратное справедливо, если зеркало удаляется. Это понятие было использовано Ферми (1949) [3] для объяснения способа образования космических лучей. В этом случае магнитное зеркало представляет собой движущееся межзвездное намагниченное облако. Ферми утверждал, что в среде случайного движения вероятность лобового столкновения выше, чем столкновения «голова-хвост», поэтому частицы в среднем будут ускоряться. Этот случайный процесс теперь называется ускорением Ферми второго порядка, поскольку средний прирост энергии за один отскок зависит от квадрата скорости зеркала . Однако результирующий энергетический спектр, ожидаемый из этой физической установки, не является универсальным, как в случае диффузионного ударного ускорения.
