title: Teilchenbeschleunigung in galaktischen Winden
Creators: name: Ragossnig, Florian
Publisher: name: :none
Year: 2013

description: Da kosmische Strahlung (CR) im interstellaren Medium (ISM) einen wesentlichen Heizprozess darstellt, sollte eine Berücksichtigung der Wechselwirkung von hochenergetischen, geladenen Teilchen mit dem ISM in sämtlichen Wind-Simulationen erfolgen. Besonders das Gebiet der Simulation von galaktischen Winden sollte sehr stark von der Implementation von CR-Erhaltungsgleichungen profitieren. Diese Arbeit bietet einen Überblick über die verschiedenen Arten der Beschleunigung von geladenen Teilchen, wobei das Hauptaugenmerk auf der Beschleunigung durch einen Fermiprozess 1. Ordnung liegt. Es wird gezeigt, dass es, mit Hilfe von Stoßbeschleunigung durchaus möglich ist, Teilchen auf die höchsten, beobachteten Energien zu beschleunigen, wobei auch das Argument der Steigungsänderung im Bereich von "Knie" und "Knöchel" des CR-Teilchenspektrums diskutiert wird. Weiters wird ein Modell eines galaktischen Windes, unter Berücksichtigung der Physik der CR-Teilchen (Fokker-Planck-Gleichung) und ausgehend von einem Modell zur Simulation von galaktischen Winden (GAWI), erstellt. Dieses Modell beruht auf einem impliziten Code, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Ausbreitung eines galaktischen Windes, unter Berücksichtigung der sogenannten Flussröhrengeometrie mit relativ großen Zeitschritten, zu bestimmen. Wesentlich ist, dass im Vergleich zu früheren Modellen der CR-Druck sowie die CR-Energie explizit aus der CR-Erhaltungsgleichung bestimmt werden können, wodurch auch eine direkte Berechnung des CR-Adiabatenkoeffizienten möglich ist. Die aus den Modellrechnungen resultierenden Ergebnisse erweisen sich als außerordentlich gut im Bezug auf den Vergleich mit Testrechnungen. Um die Numerik des Modells zu überprüfen, werden Testrechnungen durchgeführt, wobei davon ausgegangen wird, dass die CRs nicht mit dem hydrodynamischen Stoß koppeln. Die daraus erhaltenen Ergebnisse machen dann einen Vergleich mit einer analytischen Lösung möglich. Weiters wird auch mit verschiedenen Anfangsmdodellen für die CR-Strahlung experimentiert, wobei sich zeigt, dass die Wahl des Anfangsmodells die Genauigkeit des Ergebnisses beeinflusst. Im zweiten Teil der Modellrechnungen werden Simulationen im Realfall (Kopplung Hydrodynamik mit CR-Erhaltung) durchgeführt, welche sich sehr gut mit Ergebnissen aus früheren Simulationen decken. Da bei älteren Modellen die CR-Größen nur sehr stark approximiert eingehen, stellen diese Ergebnisse auch einen Test der numerischen Methodik dar. Abschließend wird noch ein Ausblick auf die Möglichkeiten gegeben, welche durch Implementation der Fokker-Planck-Gleichung nun offenstehen. Die Berücksichtigung der sphärischen Geometrie ermöglicht es beispielsweise stellare Winde und Supernova-Überreste zu untersuchen und die Einbeziehung von Synchrotronverlusten in die Fokker-Planck-Gleichung macht eine Anwendung für Elektronen möglich.
description: Because cosmic rays (CRs) represent a main heating process in the interstellar medium (ISM), interactions of high-energetic, charged particles with the ISM should be considered in all wind simulations. Especially the topic of galactic wind simulations will benefit from an implementation of CR particle conservation equations (Fokker-Planck-equation). This theses gives an overview about the different types of acceleration processes of charged particles, with a main focus on first order Fermi-Acceleration. It will be shown that it is possible to accelerate particles to the highest energies discovered, with the use of shock acceleration only. In doing so, the argument of the different slopes in the range of the "knee" and the "ankle" of the CR particle spectrum will also be discussed. Furthermore, a galactic wind model, which considers the physics of CR particles (Fokker-Planck-equation), on the conception of a model for galactic wind simulations (GAWI) based on older simulations, will be created. This model is based on an implicit code, which makes it possible to explain the expansion of galactic winds in consideration of the so called flux-tube geometry, with the use of relatively large timesteps. In comparison to older models it is important, that CR-pressure and CR-energy have not been computed explicitly from the CR-conservation equation. Therefore it has not been possible to obtain the CR-adiabatic index directly from CR-equations. Remarkable results have been generated, especially in relation to test calculations. These test calculations, with the assumption of CRs behaving as test particles (no coupling of hydrodynamics with CR-equations), have been conducted to prove the reliability of the numerical method, because the obtained results can then be compared with the analytic solution. Moreover, it will be tested using different initial models, which have a strong dependence on the accuracy of simulations. The second part of simulations will be held in a "physically correct" (coupling between hydrodynamics and CR-conservation) state, which correspond thoroughly with results from earlier simulations. As the CR-values in these models are only given as an approximation, the results from the actual model also represent a test of the numerical method. In conclusion, a prospect on further possibilities, due to the use of the Fokker-Planck-equation, will be shown. For example, with introducing spherical geometry, it would be possible to develop more detailed information about the evolution of stellar winds and supernova remnants (SNR). Furthermore, with introducing synchrotron losses in the Fokker-Planck equation, it will be possible to investigate the behavior of electrons (and especially synchrotron-radiation) within that model as well.