Efeitos da fotoionização da poeira nas ondas de Alfvén e eletrostáticas para um plasma espacial magnetizado

Abstract

Neste trabalho estudamos as mudanças que o processo de fotoemissão de elétrons pela poeira provoca na propagação e amortecimento de alguns modos normais de oscilações em plasmas através da relação de dispersão obtida utilizando a teoria cinética de plasmas e a linearização do sistema de equações Vlasov-Maxwell para um plasma empoeirado, homogêneo, magnetizado, no qual os grãos de poeira são considerados idênticos e imóveis. A análise numérica da relação de dispersão é feita utilizando parâmetros típicos de ventos estelares de estrelas ricas em carbono, já que alguns dos modos estudados atuam como mecanismos de aceleração desses ventos. Consideramos propagação paralela ao campo magnético ambiente e distribuições Maxwellianas de elétrons e íons. Para as ondas eletromagnéticas observamos que as partes reais da frequência dos modos whistler e íon-cíclotron, que se acoplam em um único modo (o modo de Alfvén) para pequeno número de onda em um plasma convencional, deixam de se acoplar no modo de Alfvén na presença de poeira negativamente carregada, podendo apresentar região de acoplamento quando os grãos de poeira estão eletricamente nulos ou positivos. Foi possível observar também que a inclusão da fotoionização diminui a região onde a velocidade de grupo desses modos é nula, efeito que surge na presença de poeira no plasma. As partes imaginárias das frequências desses modos, que estão relacionadas à taxa de amortecimento das ondas, apresentam diminuição em seu valor absoluto com a presença da fotoionização para pequenos valores da densidade de poeira, indicando um menor amortecimento das ondas. Exceção disso ocorre na região de pequeno número de onda, onde o comportamento das taxas de amortecimento dos modos whistler e íon-cíclotron se inverte com a inversão do sinal da carga elétrica dos grãos de poeira. Essas taxas de amortecimento também podem aumentar com o aumento do fluxo de Essas taxas de amortecimento também podem aumentar com o aumento do fluxo de fótons para grandes valores da densidade de grãos de poeira. As frequências das ondas eletrostáticas não apresentam grandes mudanças em suas partes reais e, em geral, também apresentam atenuação na taxa de amortecimento com a adição da fotoionização, exceto para a região de pequeno número de onda das ondas de Langmuir, onde o amortecimento devido às colisões inelásticas é aumentado com a presença da emissão fotoelétrica. Para as ondas íon-acústicas o amortecimento de Landau é predominante e a fotoionização provoca maiores mudanças no amortecimento apenas para grandes densidades de poeira, onde pode aumentar a taxa de amortecimento para um certo valor de número de onda.

In this work we studied the changes that the dust photoionization process brings to the propagation and damping of some plasma wave modes through the dispersion relation obtained utilizing the plasma kinetic theory and the linearization of the Vlasov-Maxwell system of equations for a homogeneous, magnetized dusty plasma with identical and immobile dust particles. The numerical analysis was performed using parameters typical of stellar winds coming from carbon rich stars, since some of the studied waves have been proposed as a possible accelerating mechanism of these winds. We considered propagation parallel to the ambient magnetic field and electrons and ions described by Maxwellian distributions. For electromagnetic waves we observed that the real parts of the whistler and ion cyclotron modes frequencies, which couple into a single mode (the Alfvén mode) for small wave number in a conventional plasma, no longer couple into the Alfvén mode in the presence of negatively charged dust particles, but exhibit a coupling region when dust grains have positive or null electric charge. We also observed that the photoionization decreases the region of null group velocity, a feature that arises in the presence of dust in the plasma. The imaginary parts of the frequencies, which are related to the wave damping rate, show a decrease of its absolute values in the presence of the photoionization mechanism for small values of dust density, indicating a smaller damping rate of these modes. An exception of this occurs in the region of small wavenumber, where the damping rates of these two modes exchange behaviors with the inversion of the electric charge’s sign. These damping rates may also increase with increasing photon flux for larger values of dust density. The electrostatic wave modes do not show significant changes in its real parts and, in general, also shows a decrease in the damping rate with the addition of the photoemission process, except for the region of small wave number of the Langmuir waves, where the damping due to inelastic collisions is increased with the presence of photoionization. For the ion acoustic waves, Landau damping is prevailing and the photoionization causes bigger changes in the damping rates only for larger dust densities, where it may increase the mode’s damping rate for a given wave number.