Electron heating in a collisionless plasma

Abstract

Los plasmas son comunes en diferentes sistemas astronómicos. Una parte importante de estos plasmas están en el régimen no colisional, en que el camino libre medio de las partículas que lo componen es más grande que el tamaño del sistema. Un ejemplo de este tipo de objetos es el disco de acreción que se encuentra en las cercanías del agujero negro ubicado en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A* (Sgr A*). Por su baja colisionalidad, se espera que el plasma en Sgr A* no siga una distribución de Maxwell-Boltzmann. Además, por la mayor eficiencia radiativa de los electrones, es también esperable que estos tengan menor temperatura que los iones. El grado en que se calientan los electrones en un sistema no colisional, así como su espectro de energía, tienen importantes consecuencias observacionales. Existen diversos mecanismos que pueden transferir energía a los electrones. Entre ellos están: reconexión magnética, interacción onda-partícula, y viscosidad anisotrópica. En esta tesis nos enfocamos en el calentamiento de electrones por medio de la interacción onda partícula y por calentamiento viscoso. Para ello realizamos simulaciones ``particle-in-cell'' (o PIC) de un plasma no colisional, magnetizado y sujeto a un cizalle permanente. Este cizalle produce una amplificación del campo magnético, obteniéndose así una anisotropía de presión en las particulas, debido a la invarianza adiabatica de su momento magnetico. Esta anisotropía produce inestabilidades cinéticas en el plasma, las que propagan ondas en escalas del radio de Larmor de las partículas. Algunos ejemplos relevantes para nuestro estudio son las inestabilidades de whistler e ion-ciclotrón. Estas inestabilidades pueden resonar preferentemente con los electrones e iones, respectivamente, otorgando o quitando energía a las partículas. Realizamos simulaciones con moderadas razones de masa entre iones y electrones, para estudiar a los electrones en el régimen cinético. Consideramos consistentemente el régimen no-lineal y cuasi-estacionario de las inestabilidades. Estudiamos el calentamiento de los electrones, y se encontró que estos se calientan principalmente por viscosidad. Sin embargo, se encontró un calentamiento extra, el que es transferido desde los iones a los electrones debido a la interacción de estos últimos con las ondas ion-ciclotrón (las que a su vez son principalmente producidas por los iones). Este calentamiento extra aumenta con la magnetización y disminuye al aumentar la razón de masa y la temperatura de los iones. Además, la componente no térmica del espectro de energía de los electrones se ve fuertemente modificada cuando el radio de Larmor de estos es similar al de los iones. Esta componente no térmica se asemeja bastante a lo que se infiere de observaciones de sistemas como Sgr A*. Nuestro trabajo nos permitió entonces encontrar condiciones que facilitan el calentamiento y aceleración no térmica de electrones debido a la transferencia de energía entre iones y electrones en plasmas no colisionales.