Ny forskning om en av universums mest effektiva partikelacceleratorer - kollisionsfria chocker / New research on one of the Universe’s most efficient particle accelerators - collisionless shocks

I en doktorsavhandling från Institutet för rymdfysik (IRF) och Uppsala universitet presenteras nya insikter om samspelet mellan laddade partiklar och plasmavågor vid jordens kollisionsfria bogchock. Ahmad Lalti, som har analyserat data från NASA:s Magnetospheric Multiscale (MMS)-satelliter, försvarar sin avhandling den 31 maj.

Jordens bogchock är en chockvåg som skapas när flödet av laddade partiklar från solen, solvinden, blåser mot jordens magnetfält.

En chockvåg i luften är en störning som uppstår när ett föremål, till exempel en gevärskula eller ett stridsflygplan, färdas snabbare än ljudet. Bakom chocken saktar flödet ner till en hastighet som är lägre än ljudets och det sker även en uppvärmning av luften. I yttre rymden uppstår chockvågor exempelvis i gränsen mellan solvinden och jordens magnetfält, supernovarester eller aktiva galaxkärnor.

Ahmads forskning förklarar utvecklingen av olika typer av svängningar i elektriska och magnetiska fält, så kallade plasmavågor, och deras effekt på elektronuppvärmning över bogchocken.

“Kollisionsfria chocker tros vara några av de mest effektiva partikelacceleratorerna i universum. De tros vara källan till de kosmiska strålarna som når jorden. I min forskning har jag använt mig av befintliga metoder samt utvecklat nya för att kunna utforska utvecklingen av de olika typerna av plasmavågor runt jordens bogchock och dess effekter på elektronuppvärmning. Mina resultat spelar en viktig roll för att förstå hur partiklar accelereras vid kollisionsfria chocker", säger Ahmad.

I chockvågor i luft sker uppvärmning vanligtvis genom kollisioner mellan partiklarna. I rymden är dock densiteten så pass låg att kollisioner nästan är obefintliga. Chockerna är därmed kollisionsfria och exakt hur de fungerar är fortsatt en öppen fråga inom fysiken.

Det är sedan tidigare fastställt att samspelet mellan laddade partiklar och plasmavågor kan ta kollisionernas plats och leda till en ickereversibel energiförlust, uppvärmning, över kollisionsfria chocker. Forskarna söker fortfarande svar på hur denna energiförlust går till.

Ahmad Lalti, född och uppvuxen i Libanon, presenterar och försvarar sin doktorsavhandling "Electrostatic turbulence and electron heating in collisionless shocks" klockan 09.15, fredagen den 31 maj i Heinz-Otto Kreiss föreläsningssal vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala.

Opponent är Dr Christian Mazelle från Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie: Toulouse, Midi-Pyrénées (Frankrike).

Avhandlingen: https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1848882&dswid=-8778

Kontakt: Ahmad Lalti, doktorand, Institutet för rymdfysik (IRF) och Uppsala universitet.
ahmad.lalti@irfu.se

*** ENG ***

In a doctoral thesis from the Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Uppsala University, new insights into the interaction between charged particles and plasma waves at the Earth's collisionless bow shock are presented. Ahmad Lalti, who has analyzed data from NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) satellites, defends his thesis on May 31.

The Earth's bow shock is a shock wave created when the stream of charged particles from the Sun, the solar wind, blows against the Earth's magnetic field.

A shock wave in air is a thin disruption that occurs when an object, such as a bullet or a fighter jet, travels at speeds greater than the speed of sound. Beyond the shock, the flow slows to subsonic speeds and the air heats up. In outer space, shock waves occur at the interface between the solar wind and Earth's magnetic field, supernova remnants, active galactic nuclei, or the interface between the heliosphere and the interstellar medium.

Ahmad's research explains the development of the different types of oscillations in the electric and magnetic fields, called plasma waves, and their effect on electron heating over the bow shock.

“Collisionless shocks are believed to be some of the most efficient particle accelerators in the universe. They are believed to be the source of cosmic rays reaching Earth. I used existing methods and developed new ones that allowed me to reliably explore the excitation and evolution of the different types of plasma waves around Earth’s bow shock and their effects on electron heating. My results play an important role in pushing our understanding of how particles are accelerated at collisionless shocks", says Ahmad.

In air, heating across shocks is usually mediated by collisions between the particles. In space, however, the density of the medium is so low that collisions are almost absent on the scale of the shock. They are collisionless shocks and their exact dynamics is still one of the remaining open questions in physics.

It is established that the interplay between charged particles and plasma waves can play the role of collisions and generate irreversible energy loss, i.e., heating, over collisionless shocks. Scientists are still searching for answers to the exact pathways of such energy loss.

Ahmad Lalti, born and raised in Lebanon, presents and defends his doctoral thesis "Electrostatic turbulence and electron heating in collisionless shocks" at 09.15 on Friday 31 May in the Heinz-Otto Kreiss lecture hall at the Ångström laboratory in Uppsala.

The faculty examiner is Dr Christian Mazelle from the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie: Toulouse, Midi-Pyrénées, (FR).

The thesis: https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1848882&dswid=-8778

Contact: Ahmad Lalti, PhD student, Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Uppsala University.
ahmad.lalti@irfu.se