La aceleración de Fermi , [1] [2] a veces denominada aceleración de choque difusivo (una subclase de la aceleración de Fermi [3] ), es la aceleración que experimentan las partículas cargadas cuando se reflejan repetidamente, generalmente por un espejo magnético (véase también Mecanismo centrífugo de aceleración ). Recibe su nombre del físico Enrico Fermi , quien propuso por primera vez el mecanismo. Se cree que este es el mecanismo principal por el cual las partículas ganan energías no térmicas en las ondas de choque astrofísicas . Desempeña un papel muy importante en muchos modelos astrofísicos, principalmente de choques que incluyen erupciones solares y remanentes de supernovas . [4]
Existen dos tipos de aceleración de Fermi: la aceleración de Fermi de primer orden (en choques) y la aceleración de Fermi de segundo orden (en el entorno de nubes de gas magnetizadas en movimiento). En ambos casos, el entorno debe ser libre de colisiones para que el mecanismo sea efectivo. Esto se debe a que la aceleración de Fermi solo se aplica a partículas con energías superiores a las energías térmicas, y las colisiones frecuentes con partículas circundantes causarán una pérdida de energía grave y, como resultado, no se producirá aceleración.
Las ondas de choque suelen tener inhomogeneidades magnéticas móviles antes y después de ellas. Consideremos el caso de una partícula cargada que viaja a través de la onda de choque (de corriente arriba a corriente abajo). Si encuentra un cambio en movimiento en el campo magnético, este puede reflejarla de vuelta a través del choque (de corriente abajo a corriente arriba) a mayor velocidad. Si ocurre un proceso similar corriente arriba, la partícula ganará energía de nuevo. Estas reflexiones múltiples aumentan enormemente su energía. El espectro de energía resultante de muchas partículas que experimentan este proceso (suponiendo que no influyen en la estructura del choque) resulta ser una ley de potencia: donde el índice espectral depende, para choques no relativistas, solo de la relación de compresión del choque.
El término "primer orden" proviene del hecho de que la ganancia de energía por cada cruce de choque es proporcional a la velocidad del choque dividida por la velocidad de la luz.
Un misterio de los procesos de Fermi de primer orden es el problema de la inyección . En el entorno de un choque, sólo las partículas con energías que superan la energía térmica por mucho (al menos un factor de unos pocos) pueden atravesar el choque y "entrar en el juego" de la aceleración. Actualmente no está claro qué mecanismo hace que las partículas tengan inicialmente energías lo suficientemente altas como para hacerlo. [5]
La aceleración de Fermi de segundo orden se relaciona con la cantidad de energía ganada durante el movimiento de una partícula cargada en presencia de "espejos magnéticos" que se mueven aleatoriamente. Por lo tanto, si el espejo magnético se mueve hacia la partícula, esta acabará con mayor energía al reflejarse. Lo contrario sucede si el espejo se aleja. Esta noción fue utilizada por Fermi (1949) [3] para explicar el modo de formación de los rayos cósmicos. En este caso, el espejo magnético es una nube magnetizada interestelar en movimiento. En un entorno de movimiento aleatorio, argumentó Fermi, la probabilidad de una colisión frontal es mayor que una colisión de cabeza y cola, por lo que las partículas, en promedio, se acelerarían. Este proceso aleatorio ahora se llama aceleración de Fermi de segundo orden, porque la ganancia de energía media por rebote depende de la velocidad del espejo al cuadrado, . Sin embargo, el espectro de energía resultante previsto a partir de esta configuración física no es universal como en el caso de la aceleración por choque difusivo.
