We present analytical and numerical studies of the dynamics of relativistic electron and ion holes in a collisionless plasma. Electromagnetic radiation can be trapped in relativistic electron phase-space holes mainly due to the relativistic mass increase of the electrons that are accelerated by the potential of the phase-space hole and by the quivering component of the electromagnetic field. Relativistic ion holes may exist in plasmas where the electrons are thermalized to extremely ultra-relativistic energies. They may be responsible for the acceleration of particles to GeV energies in active galactic nuclei and supernova remnant shocks. The analytic solutions are employed as initial conditions for numerical simulations in which the dynamics and stability of the phase-space holes are investigated. The results have relevance for intense laser–plasma experiments and for astrophysical plasmas.
我々は、無衝突プラズマ中における相対論的電子およびイオンホールの動力学に関する解析的および数値的研究を提示する。電磁放射は、主に位相空間ホールのポテンシャルと電磁場の振動成分によって加速される電子の相対論的質量増加により、相対論的電子位相空間ホール内に捕捉され得る。相対論的イオンホールは、電子が極端に相対論的エネルギーまで熱化されたプラズマ中に存在し得る。それらは、活動銀河核や超新星残骸衝撃波におけるGeVエネルギーまでの粒子加速の原因となる可能性がある。解析解は、位相空間ホールの動力学と安定性を調査する数値シミュレーションの初期条件として用いられる。これらの結果は、高強度レーザー・プラズマ実験および天体プラズマに関連するものである。