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Weidl, Martin S. (2015): Cosmic-ray propagation in simulations of cross-helical plasma turbulence. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Turbulence is a ubiquitous phenomenon in astrophysical plasmas. Most of these systems exhibit a property called cross helicity, a non-zero correlation between velocity fluctuations and magnetic-field fluctuations. In the presence of a magnetic mean-field, such as in the solar wind or in the interstellar medium, cross helicity is equivalent to an imbalance between Alfven waves co- and counter-propagating with respect to the mean-field direction. Although this imbalance can have a dramatic influence on the heating and scattering rate of charged particles which propagate through the plasma, it is often neglected in computational studies of turbulent particle transport. In an effort to remedy this situation, we present numerical simulations of magnetohydrodynamic turbulence in which we can control the energy and the cross helicity of the system, without injecting kinetic or magnetic helicity as an unwanted side effect. Varying the strength of a magnetic guide-field allows us to determine the degree of anisotropy that the system assumes as a steady-state configuration. Detailed analysis proves that these simulations conform to theoretical models of realistic turbulence. The diffusion of cosmic-ray particles in turbulent plasmas is often calculated using quasilinear theory and a simplified description of the electromagnetic-field spectra. By computing the trajectories of test-particles in dynamically evolving turbulence simulations with non-zero cross helicity, we study whether such quasilinear predictions of the heating rate of charged particles are valid under realistic conditions. Theory and numerical results agree well for particles propagating at the Alfven velocity, unless resistive effects play a dominant role. Furthermore, strongly anisotropic field configurations are used to compare quasilinear pitch-angle diffusion coefficients with measurements of test-particle scattering after one gyroperiod. In particular, we focus on the scaling of the scattering rate with cross helicity. We observe excellent agreement in simulations of both balanced and imbalanced turbulence and explain the role of the magnetic moment, an approximate invariant of charged-particle motion, for pitch-angle scattering on timescales of several gyroperiods.

Abstract

Turbulenz ist in astrophysikalischen Plasmen allgegenwärtig. Viele solche Systeme weisen eine sogenannte Kreuz-Helizität auf, also eine von Null verschiedene Korrelation zwischen Geschwindigkeits- und Magnetfeld-Fluktuationen. In einer anisotropen Magnetfeldgeometrie, z. B. im Sonnenwind oder dem interstellaren Medium, deutet die Kreuz-Helizität auf ein Ungleichgewicht zwischen Alfven-Wellen, die sich in Richtung des gemittelten Feldes ausbreiten, und solchen, die in die Gegenrichtung propagieren, hin. Obwohl dieses Ungleichgewicht die stochastische Beschleunigung und Streuung, die geladene Teilchen in einem Plasma erfahren, dramatisch beeinflusst, wurde es in bisherigen numerischen Studien über turbulenten Teilchentransport gemeinhin außer Acht gelassen. In dieser Arbeit nun werden rechnergestützte Simulationen von magnetohydrodynamischer Turbulenz präsentiert, in denen die Energie und die Kreuz-Helizität kontrolliert werden können, ohne jedoch kinetische oder magnetische Helizität als unerwünschte Nebenwirkung zu erzeugen. Die Stärke des mittleren Magnetfeldes bestimmt dabei die Anisotropie des Gleichgewichtszustandes. Die Simulationen erfüllen in allen Parameterbereichen die Vorhersagen, die theoretische Modelle für realistische Plasmaturbulenz treffen. Die Diffusion kosmischer Strahlung in turbulenten Plasmen wird häufig im Rahmen der quasilinearen Theorie unter Heranziehung eines stark vereinfachten Turbulenzspektrums berechnet. Indem die Trajektorien von Testteilchen in dynamischen Turbulenzsimulationen mit Kreuz-Helizität berechnet werden, lassen sich quasilineare Ergebnisse für die Beschleunigungsrate geladener Teilchen nachprüfen. Theorie und numerische Simulation stimmen für Teilchen mit der Alfven-Geschwindigkeit gut überein, solange resistive Effekte vernachlässigt werden können. Weiterhin werden aus der quasilinearen Theorie berechnete Diffusionskoeffizienten mit numerisch ermittelten Streuraten für Testteilchen nach einer Gyroperiode in stark anisotropen Feldkonfigurationen verglichen, wobei der Schwerpunkt erneut beim Einfluss der Kreuz-Helizität liegt. Für alle verwendeten Werte der Kreuz-Helizität ergibt sich eine exzellente Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnis und Vorhersage. Schließlich wird die Rolle des magnetischen Moments, einer adiabatischen Invarianten bei der Bewegung geladener Teilchen in einem Magnetfeld, für die Streuung über Zeitskalen von mehreren Gyroperioden erläutert.