ELECTRON ACCELERATION VIA LOWER-HYBRID DRIFT INSTABILITY IN ASTROPHYSICAL PLASMAS: DEPENDENCE ON PLASMA BETA AND SUPRATHERMAL ELECTRON DISTRIBUTIONS

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Density inhomogeneities are ubiquitous in space and astrophysical plasmas, particularly at magnetic reconnection sites, shock fronts, and within compressible turbulence. The gradients associated with these inhomogeneous plasma regions serve as free energy sources that can drive plasma instabilities, including the lower-hybrid drift instability (LHDI). Notably, lower-hybrid waves are frequently observed in magnetized space plasma environments, such as Earth's magnetotail and magnetopause. Previous studies have primarily focused on modeling particle acceleration via LHDI in these regions using a quasilinear approach. This study expands the investigation of LHDI to a broader range of environments, spanning weakly to strongly magnetized media, including interplanetary, interstellar, intergalactic, and intracluster plasmas. To explore the applicability of LHDI in various astrophysical settings, we employ two key parameters: (1) plasma magnetization, characterized by the plasma beta parameter, and (2) the spectral slope of suprathermal electrons following a power-law distribution. Using a quasilinear model, we determine the critical values of plasma beta and spectral slope that enable efficient electron acceleration via LHDI by comparing the rate of growth of instability and the damping rate of the resulting fluctuations. We further analyze the time evolution of the electron distribution function to confirm these critical conditions. Our results indicate that electron acceleration is generally most efficient in low-beta plasmas (β<1). However, the presence of suprathermal electrons significantly enhances electron acceleration via LHDI, even in high-beta plasmas (β>1). Finally, we discuss the astrophysical implications of our findings, highlighting the role of LHDI in electron acceleration across diverse plasma environments.

Sobre autores

Ji-Hoon Ha

Korea Space Weather Center 63025

Email: jetp@kapitza.ras.ru
Jeju, South Korea

E. Volnova

Institute for Basic Science 34126

Autor responsável pela correspondência
Email: jetp@kapitza.ras.ru
Daejeon, South Korea

Bibliografia

  1. J. Giacalone, Astrophys. J. 609, 452 (2004).
  2. M. Scholer and D. Burgess, Phys. Plasmas 14, 072103 (2007).
  3. T. Umeda, Y. Kidani, S. Matsukiyo, and R. Yamazaki, J. Geophys. Res.: Space Phys. 117, A03206 (2012).
  4. D. Caprioli and A. Spitkovsky, Astrophys. J. 794, 46 (2014).
  5. S. Kim, J.-H. Ha, D. Ryu, and H. Kang, Astrophys. J. 892, 85 (2020).
  6. S. Kim, J.-H. Ha, D. Ryu, and H. Kang, Astrophys. J. 913, 35 (2021).
  7. L. Orusa and D. Caprioli, Phys. Rev. Lett. 131, 095201 (2023).
  8. R. Vainio, L. Kocharov, and T. Laitinen, Astrophys. J. 528, 1015 (2000).
  9. V. N. Zirakashvili, V. S. Ptuskin, and H. J. Volk, Astrophys. J. 678, 255 (2008).
  10. A. M. Bykov, D. C. Ellison, S. M. Osipov, and A. E. Vladimirov, Astrophys. J. 789, 137 (2014).
  11. J.-H. Ha, D. Ryu, and H. Kang, Astrophys. J. 907, 26 (2021).
  12. J.-H. Ha, Astrophys. 67, 330 (2024a).
  13. J.-H. Ha, Astrophys. Space Sci. 369, 126 (2024b).
  14. J.-H. Ha, Zh. Exp. Teor. Fiz. 167, 129 (2025).
  15. N. A. Krall and P. C. Liewer, Phys. Rev. A 4, 2094 (1971).
  16. R. C. Davidson, N. T. Gladd, C. S. Wu, and J. D. Huba, Phys. Fluids 20, 301 (1977).
  17. S. D. Bale, F. S. Mozer and T. Phan, Geophys. Res. Lett. 29, 2180 (2002).
  18. D. B. Graham, Y. V. Khotyaintsev, C. Norgren et al., J. Geophys. Res.: Space Phys. 124, 8727 (2019).
  19. J. Yoo, J.-Y. Ji, M. V. Ambat et al., Geophys. Res. Lett. 47, e87192 (2020).
  20. J. Ng, J. Yoo, L. J. Chen, N. Bessho, and H. Ji, Phys. Plasmas 30, 042101 (2023).
  21. Y. Ren, L. Dai, C. Wang, and Z. Guo, Astrophys. J. 956, 143 (2023).
  22. D. B. Graham, Y. V. Khotyaintsev, C. Norgren et al., J. Geophys. Res.: Space Phys. 122, 517 (2017).
  23. M. Zhou, J. Berchem, R. J. Walker et al., J. Geophys. Res.: Space Phys. 123, 1834 (2018).
  24. B.-B. Tang, W. Y. Li, D. B. Graham et al., Geophys. Res. Lett. 47, e89880 (2020).
  25. Y. Ren, L. Dai, C. Wang, and B. Lavraud, Astrophys. J. 928, 5 (2022).
  26. S. N. Walker, M. A. Balikhin, H. S. C. K. Alleyne et al., Annal. Geophys. 26, 699 (2008).
  27. V. V. Krasnoselskikh, E. N. Kruchina, A. S. Volokitin, and G. Thejappa, Astron. Astrophys. 149, 323 (1985).
  28. Y. Zhang and H. Matsumoto, J. Geophys. Res.: Space Phys. 103, 20561 (1998).
  29. L. B. Wilson, A. Koval, A. Szabo et al., J. Geophys. Res.: Space Phys. 118, 5 (2013).
  30. Y. V. Khotyaintsev, C. M. Cully, A. Vaivads, M. Andre, and C. J. Owen, Phys. Rev. Lett. 106, 165001 (2011).
  31. D.-X. Pan, Y. V. Khotyaintsev, D. B. Graham et al., Geophys. Res. Lett. 45, 116 (2018).
  32. K. G. McClements, R. Bingham, J. J. Su, J. M. Dawson, and D. S. Spicer, Astrophys. J. 409, 465 (1993).
  33. I. H. Cairns and B. F. McMillan, Phys. Plasmas 12, 102110 (2005).
  34. F. Lavorenti, P. Henri, F. Califano, S. Aizawa, and N. Andre, Astron. Astrophys. 652, A20 (2021).
  35. E. N. Fadeev, A. S. Andrianov, M. S. Burgin et al., Monthly Notices of the Royal Astron. Soc. 480, 4199 (2018).
  36. M. V. Popov and T. V. Smirnova, Astron. Rep. 65, 1129 (2021).
  37. D. Martizzi, C.-A. Faucher-Giguere, and E. Quataert, Monthly Notices of the Royal Astron. Soc. 450, 504 (2015).
  38. C. F. McKee, Proc. IAU Colloquium 101, Cambridge University Press, 205 (1988).
  39. M. Markevitch, T. J. Ponman, P. E. J. Nulsen et al., Astrophys. J. 541, 542 (2000).
  40. M. Markevitch and A. Vikhlinin, Phys. Rep. 443, 1 (2007).
  41. H. Bourdin, P. Mazzotta, M. Markevitch, S. Giacintucci, and G. Brunetti, Astrophys. J. 764, 82 (2013).
  42. J. ZuHone and E. Roediger, J. Plasma Phys. 82, 535820301 (2016).
  43. J.-H. Ha, D. Ryu, and H. Kang, Astrophys. J. 857, 26 (2018).
  44. S. Roh, D. Ryu, H. Kang, S. Ha, and H. Jang, Astrophys. J. 883, 138 (2019).
  45. R. Xu, D. Caprioli and A. Spitkovsky, Astrophys. J. Lett. 897, L41 (2020).
  46. Y. Kawazura, M. Barnes, A. A. Schekochihin et al., Proc. of the National Academy of Sciences 116, 771 (2019).
  47. J. Squire, R. Meyrand, and M. W. Kunz, Astrophys. J. Lett. 957, L30 (2023).
  48. M. A. Shay, C. C. Haggerty, T. D. Phan et al., Phys. Plasmas 21, 122902 (2014).
  49. C. C. Haggerty, M. A. Shay, J. F. Drake et al., Geophy. Res. Lett. 42, 9657 (2015).
  50. M. Hoshino, Astrophys. J. Lett. 868, L18 (2018).
  51. W. Baumjohann, G. Paschmann, and C. A. Cattell, J. Geophys. Res. 94, 6597 (1989).
  52. C.-P. Wang, M. Gkioulidou, L. R. Lyons, and V. Angelopoulos, J. Geophys. Res.: Space Phys. 117, A08215 (2012).
  53. J. P. Eastwood, T. D. Phan, J. F. Drake et al., Phys. Rev. Lett. 110, 225001 (2013).
  54. C. E. Rakowski, Adv. Space Res. 35, 1017 (2005).
  55. J. C. Raymond and K. E. Korreck, AIP Conf. Proc. 781, 342 (2005).
  56. P. Ghavamian, J. M. Laming, and C. E. Rakowski, Astrophys. J. 654, L69 (2007).
  57. S. J. Schwartz, M. F. Thomsen, S. J. Bame, and J. Stansberry, J. Geophys. Res. 93, 12923 (1988).
  58. C. T. Russell, AIP Conf. Proc. 781, 3 (2005).
  59. H. R. Russell, B. R. McNamara, J. S. Sanders et al., Monthly Notices of the Royal Astron. Soc. 423, 236 (2012).
  60. S. Ettori and A. C. Fabian, Monthly Notices of the Royal Astron. Soc. 293, L33 (1998).
  61. M. Takizawa, Astrophys. J. 509, 579 (1998).

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».