Surfatron ultrarelativistic acceleration of protons by electromagnetic wave in space plasmas

Abstract

Based on numerical calculations it is investigated proton ultrarelativistic acceleration in space plasma by electromagnetic wave propagating across the external magnetic field. It is considered the conditions for the proton capture by wave, dynamics of the proton velocity components and its impulse momentum ones, the dependence of acceleration rate on the problem initial parameters, the structure of the phase plane of accelerated protons. Optimaum conditions for protons ultrarelativistic surfatron acceleration by the electromagnetic wave are formulated. It is discused the possibility of appearance of differences from the standard power-law dependence in the accelerated protons spectra obtained by processing of experimental data on the registration of cosmic rays (CR). Estimates are given for protons acceleration in the heliosphere from an initial energy of a few GeV up to TeV energies.

На основі чисельних розрахунків досліджено ультрарелятивістське прискорення протонів в космічній плазмі електромагнітною хвилею, що розповсюджується поперек зовнішнього магнітного поля. Розглянуто умови захоплення протонів хвилею, динаміка компонент швидкості і імпульсу, залежність темпу прискорення від вихідних параметрів завдання, структура фазової площини прискорюємого протона. Сформульовано оптимальні умови для ультрарелятивістського серфотронного прискорення протонів електромагнітною хвилею, обговорюється можливість виникнення за рахунок серфотронного механізму відмінностей у спектрах прискорених протонів, отриманих при обробці експериментальних даних по реєстрації космічних променів, від стандартних ступенних залежностей. Дано оцінки доускорення протонів в геліосфері, що мали початкову енергію порядку декількох гігаелектронвольт, до енергій порядку тераелектронвольт.

На основе численных расчетов исследовано ультрарелятивистское ускорение протонов в космической плазме электромагнитной волной, распространяющейся поперек внешнего магнитного поля. Рассмотрены условия захвата протонов волной, динамика компонент скорости и импульса, зависимость темпа ускорения от исходных параметров задачи, структура фазовой плоскости ускоряемого протона. Сформулированы оптимальные условия для ультрарелятивистского серфотронного ускорения протонов электромагнитной волной, обсуждается возможность возникновения за счет серфотронного механизма отличий в спектрах ускоренных протонов, полученных при обработке экспериментальных данных по регистрации космических лучей, от стандартных степенных зависимостей. Даны оценки доускорения протонов в гелиосфере, имевших начальную энергию порядка нескольких гигаэлектронвольт, до энергий порядка тераэлектронвольт.