フェルミ加速

フェルミ加速[ ^{1] [2]は、}拡散衝撃加速（フェルミ加速のサブクラス^[3]）とも呼ばれ、荷電粒子が磁気ミラーによって繰り返し反射されるときに受ける加速である（遠心加速メカニズムも参照）。このメカニズムを最初に提唱した物理学者エンリコ・フェルミにちなんで名付けられました。これは、天体衝撃波で粒子が非熱エネルギーを得る主なメカニズムであると考えられています。これは、太陽フレアや超新星残骸などの衝撃波を中心とする多くの天体物理学モデルで非常に重要な役割を果たしています。^[4]

フェルミ加速には、1 次フェルミ加速 (衝撃波) と 2 次フェルミ加速 (移動する磁化ガス雲の環境) の 2 種類があります。どちらの場合も、メカニズムが効果を発揮するには、衝突のない環境である必要があります。これは、フェルミ加速は熱エネルギーを超えるエネルギーを持つ粒子にのみ適用され、周囲の粒子との頻繁な衝突は深刻なエネルギー損失を引き起こし、結果として加速が発生しないためです。

衝撃波には通常、その前後に移動する磁気不均一性があります。荷電粒子が衝撃波を通り抜ける場合（上流から下流へ）を考えてみましょう。荷電粒子が磁場の移動変化に遭遇すると、速度を上げて衝撃波を通り抜けて（下流から上流へ）反射することがあります。同様のプロセスが上流で発生すると、粒子は再びエネルギーを得ます。これらの多重反射により、エネルギーが大幅に増加します。このプロセスを受ける多数の粒子のエネルギー スペクトルは（衝撃波の構造に影響を与えないと仮定した場合）、べき乗則になります。 つまり、スペクトル指数は、非相対論的衝撃波の場合、衝撃波の圧縮比のみに依存します。 $${\displaystyle {\frac {dN(\varepsilon )}{d\varepsilon }}\propto \varepsilon ^{-p}}$$${\displaystyle p\gtrsim 2}$

「一次」という用語は、衝撃波を通過するたびに得られるエネルギー利得が、衝撃波の速度を光速で割った値 に比例するという事実に由来しています。${\displaystyle \beta _{s}}$

フェルミ過程の第一段階の謎は、注入問題である。衝撃波の環境下では、熱エネルギーを大幅に（少なくとも数倍）超えるエネルギーを持つ粒子だけが衝撃波を通過して加速の「ゲーム」に参加できる。粒子が最初に十分なエネルギーを持つようになるメカニズムは、現在のところ不明である。^[5]

2 次フェルミ加速は、ランダムに移動する「磁気ミラー」の存在下で荷電粒子が運動する際に得られるエネルギー量に関係します。したがって、磁気ミラーが粒子に向かって移動している場合、粒子は反射時にエネルギーが増加します。ミラーが遠ざかっている場合は、その逆が当てはまります。この概念は、フェルミ (1949) ^[3]によって宇宙線の形成モードを説明するために使用されました。この場合、磁気ミラーは移動する星間磁化雲です。フェルミは、ランダムに移動する環境では、正面衝突の確率が頭尾衝突よりも高いため、粒子は平均して加速されると主張しました。このランダムなプロセスは、反射あたりの平均エネルギー増加がミラー速度の 2 乗に依存するため、現在では 2 次フェルミ加速と呼ばれています。ただし、この物理的設定から予測される結果のエネルギー スペクトルは、拡散衝撃加速の場合のように普遍的ではありません。 ${\displaystyle \beta _{m}^{2}}$

• フェルミ・ウラムモデル
• フェルミグロー
• 天体物理学における衝撃波

• フェルミ加速に関するデイビッド・ダーリングの記事
• リーガー、ボッシュ・ラモン、ダフィー：天体ジェットにおけるフェルミ加速。Astrophys.Space Sci. 309:119-125 (2007)