Turbulence, Dynamos, Accretion Disks, Pulsars and Collective Plasma Processes: First Kodai-Trieste Workshop on Plasma Astrophysics held at the Kodaikanal ... (Astrophysics and Space Science Proceedings)

337 Pages·2008·5.13 MB·English

by  S.S. Hasan

TURBULENCE, DYNAMOS, ACCRETION DISKS, PULSARS AND
COLLECTIVE PLASMA PROCESSES
ASTROPHYSICS AND
SPACE SCIENCE PROCEEDINGS
For other titles published in this series, go to
www.springer.com/series/7395
TURBULENCE, DYNAMOS,
ACCRETION DISKS, PULSARS
AND COLLECTIVE PLASMA
PROCESSES
FIRST KODAI-TRIESTE WORKSHOP
ON PLASMA ASTROPHYSICS HELD
AT THE KODAIKANAL OBSERVATORY
KODAIKANAL, INDIA
AUGUST 27 – SEPTEMBER 7, 2007
Edited by
S.S. HASAN
Indian Institute of Astrophysics,
Bangalore, India
R.T. GANGADHARA
Indian Institute of Astrophysics,
Bangalore, India
and
V. KRISHAN
Indian Institute of Astrophysics,
Bangalore, India
Editors
S.S. Hasan R.T. Gangadhara
Indian Institute of Astrophysics Indian Institute of Astrophysics
Sarjapur Road Sarjapur Road
Bangalore-560034 Bangalore-560034
IInd Block, Koramangala IInd Block, Koramangala
India India
[email protected] [email protected]
V. Krishan
Indian Institute of Astrophysics
Sarjapur Road
Bangalore-560034
IInd Block, Koramangala
India
[email protected]
ISBN 978-1-4020-8867-4 e-ISBN 978-1-4020-8868-1
Library of Congress Control Number: 2008934393
(cid:2)c 2009 Springer Science + Business Media B.V.
No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any
means, electronic, mechanical, photocopying, microfilming, recording or otherwise, without the written
permission from the Publisher, with the exception of any material supplied specifically for the purpose of
being entered and executed on a computer system, for the exclusive use by the purchaser of the work.
Printed on acid-free paper
9 8 7 6 5 4 3 2 1
springer.com
Preface
The(cid:160)Kodaikanal(cid:160)Observatory(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)Indian(cid:160)Institute(cid:160)of(cid:160)Astrophysics(cid:160)traces(cid:160)its(cid:160)
originstotheendofthenineteenthcenturywhenitwasdecidedtorelocatethe(cid:160)
Madras(cid:160)Observatory(cid:160)to(cid:160)a(cid:160)high(cid:160)altitude(cid:160)site(cid:160)with(cid:160)a(cid:160)view(cid:160)to(cid:160)initiate(cid:160)observations(cid:160)
oftheSun.Manyvaluableobservationsweremadehereincludingthediscovery(cid:160)
of(cid:160)outflowing(cid:160)material(cid:160)in(cid:160)sunspots(cid:160)discovered(cid:160)by(cid:160)John(cid:160)Evershed(cid:160)in(cid:160)1909.(cid:160)The(cid:160)
Observatory(cid:160)continues(cid:160)to(cid:160)provide(cid:160)useful(cid:160)solar(cid:160)data(cid:160)as(cid:160)well(cid:160)as(cid:160)serve(cid:160)as(cid:160)a(cid:160)centre(cid:160)
for(cid:160)research(cid:160)and(cid:160)training(cid:160)programmes.(cid:160)Moreover,(cid:160)with(cid:160)its(cid:160)serene(cid:160)and(cid:160)beautiful(cid:160)
environment,(cid:160)and(cid:160)good(cid:160)infrastructure(cid:160)it(cid:160)is(cid:160)an(cid:160)ideal(cid:160)location(cid:160)for(cid:160)the(cid:160)pursuit(cid:160)of(cid:160)
intellectual(cid:160)and(cid:160)pedagogical(cid:160)activity.(cid:160)
In(cid:160)2006(cid:160)an(cid:160)initiative(cid:160)was(cid:160)taken(cid:160)to(cid:160)begin(cid:160)a(cid:160)series(cid:160)of(cid:160)schools(cid:160)and(cid:160)workshops(cid:160)
in(cid:160)different(cid:160)areas(cid:160)of(cid:160)astronomy(cid:160)and(cid:160)astrophysics(cid:160)with(cid:160)a(cid:160)view(cid:160)to(cid:160)attract(cid:160)stu-
dents(cid:160)to(cid:160)this(cid:160)field(cid:160)as(cid:160)well(cid:160)as(cid:160)to(cid:160)enhance(cid:160)excellence(cid:160)and(cid:160)greater(cid:160)interaction(cid:160)
among(cid:160)researchers(cid:160)working(cid:160)in(cid:160)these(cid:160)areas.(cid:160)The(cid:160)first(cid:160)Kodai-Trieste(cid:160)Workshop(cid:160)
on(cid:160)Plasma(cid:160)Astrophysics,(cid:160)which(cid:160)was(cid:160)held(cid:160)at(cid:160)the(cid:160)Kodaikanal(cid:160)Observatory,(cid:160)Ko-
daikanal(cid:160)during(cid:160)August(cid:160)27(cid:160)- September(cid:160)7,(cid:160)2007,(cid:160)was(cid:160)a(cid:160)continuation(cid:160)of(cid:160)this(cid:160)
effort.(cid:160)Organized(cid:160)jointly(cid:160)by(cid:160)the(cid:160)Indian(cid:160)Institute(cid:160)of(cid:160)Astrophysics,(cid:160)Bangalore(cid:160)
and(cid:160)the(cid:160)Abdus(cid:160)Salam(cid:160)International(cid:160)Centre(cid:160)for(cid:160)Theoretical(cid:160)Physics(cid:160)(ASICTP),(cid:160)
Trieste,(cid:160)its(cid:160)aim(cid:160)was(cid:160)to(cid:160)provide(cid:160)a(cid:160)strong(cid:160)conceptual(cid:160)foundation(cid:160)in(cid:160)plasma(cid:160)astro-
physics.(cid:160)The(cid:160)Workshop(cid:160)was(cid:160)conceived(cid:160)when(cid:160)Prof.(cid:160)K.(cid:160)R.(cid:160)Sreenivasan,(cid:160)Director,(cid:160)
ICTP,(cid:160)visited(cid:160)the(cid:160)Indian(cid:160)Institute(cid:160)of(cid:160)Astrophysics(cid:160)in(cid:160)October,(cid:160)2006.(cid:160)
It(cid:160)is(cid:160)well(cid:160)established(cid:160)that(cid:160)more(cid:160)than(cid:160)99%(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)baryonic(cid:160)matter(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)
universe(cid:160)is(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)plasma(cid:160)state.(cid:160)Most(cid:160)astrophysical(cid:160)systems(cid:160)could(cid:160)be(cid:160)approx-
imated(cid:160)as(cid:160)conducting(cid:160)fluids(cid:160)in(cid:160)a(cid:160)gravitational(cid:160)field.(cid:160)It(cid:160)is(cid:160)the(cid:160)combined(cid:160)effect(cid:160)
of(cid:160)these(cid:160)two(cid:160)that(cid:160)gives(cid:160)rise(cid:160)to(cid:160)the(cid:160)rich(cid:160)variety(cid:160)of(cid:160)configurations(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)form(cid:160)of(cid:160)
filaments,(cid:160)loops,(cid:160)jets(cid:160)and(cid:160)arches.(cid:160)The(cid:160)plasma(cid:160)structures(cid:160)that(cid:160)cannot(cid:160)last(cid:160)for(cid:160)
more(cid:160)than(cid:160)a(cid:160)second(cid:160)or(cid:160)less(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)laboratory(cid:160)remain(cid:160)intact(cid:160)on(cid:160)astronomical(cid:160)
time(cid:160)and(cid:160)spatial(cid:160)scales.(cid:160)High(cid:160)energy(cid:160)radiation(cid:160)sources(cid:160)such(cid:160)as(cid:160)active(cid:160)galac-
tic(cid:160)nuclei(cid:160)involve(cid:160)coherent(cid:160)plasma(cid:160)radiation(cid:160)processes(cid:160)for(cid:160)their(cid:160)exceptionally(cid:160)
large(cid:160)output(cid:160)from(cid:160)regions(cid:160)of(cid:160)relatively(cid:160)small(cid:160)physical(cid:160)sizes.(cid:160)The(cid:160)generation(cid:160)
of(cid:160)magnetic(cid:160)field,(cid:160)anomalous(cid:160)transport(cid:160)of(cid:160)angular(cid:160)momentum(cid:160)with(cid:160)decisive(cid:160)
bearing(cid:160)on(cid:160)star(cid:160)formation(cid:160)processes,(cid:160)the(cid:160)ubiquitous(cid:160)MHD(cid:160)turbulence(cid:160)under(cid:160)
VI(cid:160) Preface(cid:160)
conditions(cid:160)not(cid:160)reproducible(cid:160)in(cid:160)terrestrial(cid:160)laboratories(cid:160)are(cid:160)some(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)generic(cid:160)
issues(cid:160)still(cid:160)awaiting(cid:160)a(cid:160)concerted(cid:160)effort(cid:160)to(cid:160)be(cid:160)properly(cid:160)understood.(cid:160)Quantum(cid:160)
plasmas,(cid:160)pair(cid:160)plasmas(cid:160)and(cid:160)pair-ion(cid:160)plasmas(cid:160)exist(cid:160)under(cid:160)extreme(cid:160)conditions(cid:160)in(cid:160)
planetary(cid:160)interiors(cid:160)and(cid:160)exotic(cid:160)stars.(cid:160)
This(cid:160)monograph,(cid:160)consisting(cid:160)of(cid:160)22(cid:160)contributions,(cid:160)is(cid:160)organized(cid:160)in(cid:160)six(cid:160)parts(cid:160)
dealing(cid:160)with(cid:160)astrophysical(cid:160)turbulence,(cid:160)dynamos,(cid:160)pulsar(cid:160)radiation(cid:160)mechanisms,(cid:160)
quantum(cid:160)plasmas,(cid:160)accretion(cid:160)disks,(cid:160)and(cid:160)solar(cid:160)and(cid:160)space(cid:160)plasmas.(cid:160)The(cid:160)work-
shop(cid:160)brought(cid:160)together(cid:160)several(cid:160)international(cid:160)scientists(cid:160)and(cid:160)young(cid:160)researchers(cid:160)
working(cid:160)in(cid:160)plasma(cid:160)astrophysics.(cid:160)
The(cid:160)workshop(cid:160)owes(cid:160)its(cid:160)success(cid:160)to(cid:160)the(cid:160)efforts(cid:160)of(cid:160)a(cid:160)large(cid:160)number(cid:160)of(cid:160)persons,(cid:160)
including(cid:160)V.(cid:160)Krishan,(cid:160)the(cid:160)course(cid:160)director,(cid:160)K.(cid:160)E.(cid:160)Rangarajan,(cid:160)the(cid:160)convener,(cid:160)
and(cid:160)R.(cid:160)T.(cid:160)Gangadhara,(cid:160)the(cid:160)coordinator.(cid:160)In(cid:160)addition,(cid:160)I(cid:160)am(cid:160)grateful(cid:160)to(cid:160)all(cid:160)
the(cid:160)speakers(cid:160)for(cid:160)readily(cid:160)accepting(cid:160)to(cid:160)participate(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)workshop(cid:160)and(cid:160)for(cid:160)a(cid:160)
timely(cid:160)submission(cid:160)of(cid:160)their(cid:160)manuscripts.(cid:160)I(cid:160)am(cid:160)thankful(cid:160)to(cid:160)the(cid:160)scientific(cid:160)and(cid:160)
administrative(cid:160)staff(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)Indian(cid:160)Institute(cid:160)of(cid:160)Astrophysics(cid:160)at(cid:160)the(cid:160)Bangalore(cid:160)
and(cid:160)Kodaikanal(cid:160)campuses(cid:160)for(cid:160)providing(cid:160)local(cid:160)support.(cid:160)
Bangalore(cid:160) S.(cid:160)S.(cid:160)Hasan(cid:160)
April(cid:160)2008(cid:160)
Contents
Part(cid:160)I(cid:160)Astrophysical(cid:160)Turbulence(cid:160)
Aspects(cid:160)of(cid:160)Hydrodynamic(cid:160)Turbulence(cid:160)in(cid:160)Classical(cid:160)and(cid:160)
Quantum(cid:160)Systems(cid:160)
J.J.(cid:160)Niemela(cid:160)....................................................(cid:160) 3
Observations(cid:160)and(cid:160)Modeling(cid:160)of(cid:160)Turbulence(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)Solar(cid:160)Wind(cid:160)
Melvyn(cid:160)L.(cid:160)Goldstein(cid:160)..............................................(cid:160)21
Power(cid:160)Spectra(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)Fluctuations(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)Solar(cid:160)Wind(cid:160)
V.(cid:160)Krishan(cid:160)......................................................(cid:160)35
Part(cid:160)II(cid:160)Astrophysical(cid:160)Dynamos(cid:160)
Alpha(cid:160)Effect(cid:160)in(cid:160)Partially(cid:160)Ionized(cid:160)Plasmas(cid:160)
V.(cid:160)Krishan(cid:160)and(cid:160)R.(cid:160)T.(cid:160)Gangadhara(cid:160).................................(cid:160)55
Constraints(cid:160)on(cid:160)Dynamo(cid:160)Action(cid:160)
A.(cid:160)Mangalam(cid:160)....................................................(cid:160)69
Planetary(cid:160)Dynamos(cid:160)
Vinod(cid:160)K.(cid:160)Gaur(cid:160)..................................................(cid:160)85
Part(cid:160)III(cid:160)Pulsar(cid:160)Radiation(cid:160)Mechanism(cid:160)
Pulsars(cid:160)as(cid:160)Fantastic(cid:160)Objects(cid:160)and(cid:160)Probes(cid:160)
Jin(cid:160)Lin(cid:160)Han(cid:160).....................................................(cid:160)99
VIII(cid:160) Contents(cid:160)
Pulsar(cid:160)Radio(cid:160)Emission(cid:160)Geometry(cid:160)
R.(cid:160)T.(cid:160)Gangadhara(cid:160)...............................................113
Millisecond(cid:160)Pulsar(cid:160)Emission(cid:160)Altitude(cid:160)from(cid:160)Relativistic(cid:160)Phase(cid:160)
Shift:(cid:160)PSR(cid:160)J0437-4715(cid:160)
R.(cid:160)T.(cid:160)Gangadhara(cid:160)and(cid:160)R.(cid:160)M.(cid:160)C.(cid:160)Thomas(cid:160)...........................137
Magnetosphere(cid:160)Structure(cid:160)and(cid:160)the(cid:160)Annular(cid:160)Gap(cid:160)Model(cid:160)of(cid:160)Pulsars(cid:160)
G.J.(cid:160)Qiao,(cid:160)K.J.(cid:160)Lee,(cid:160)H.G.(cid:160)Wang,(cid:160)and(cid:160)R.X.(cid:160)Xu(cid:160)......................147
Wave(cid:160)Modes(cid:160)in(cid:160)the(cid:160)Magnetospheres(cid:160)of(cid:160)Pulsars(cid:160)and(cid:160)Magnetars(cid:160)
C.(cid:160)Wang,(cid:160)D.(cid:160)Lai(cid:160).................................................169
Polarization(cid:160)of(cid:160)Coherent(cid:160)Curvature(cid:160)Radiation(cid:160)in(cid:160)Pulsars(cid:160)
R.(cid:160)M.(cid:160)C.(cid:160)Thomas(cid:160)and(cid:160)R.T.(cid:160)Gangadhara(cid:160)............................177
Part(cid:160)IV(cid:160)Quantum(cid:160)Plasmas(cid:160)
Nonlinear(cid:160)Quantum(cid:160)Plasma(cid:160)Physics(cid:160)
Padma(cid:160)K.(cid:160)Shukla,(cid:160)Bengt(cid:160)Eliasson,(cid:160)Dastgeer(cid:160)Shaikh...................191
Dust(cid:160)Plasma(cid:160)Interactions(cid:160)in(cid:160)Space(cid:160)and(cid:160)Laboratory(cid:160)
Padma(cid:160)K.(cid:160)Shukla,(cid:160)Bengt(cid:160)Eliasson,(cid:160)Dastgeer(cid:160)Shaikh...................213
Part(cid:160)V(cid:160)Accretion(cid:160)Disks(cid:160)
Magnetorotational(cid:160)Instability(cid:160)In(cid:160)Accretion(cid:160)Disks(cid:160)
V.(cid:160)Krishan(cid:160)and(cid:160)S.M.(cid:160)Mahajan(cid:160).....................................233
Hybrid(cid:160)Viscosity(cid:160)and(cid:160)Magnetoviscous(cid:160)Instability(cid:160)in(cid:160)Hot,(cid:160)
Collisionless(cid:160)Accretion(cid:160)Disks(cid:160)
Prasad(cid:160)Subramanian,(cid:160)Peter(cid:160)A.(cid:160)Becker,(cid:160)Menas(cid:160)Kafatos................249
Transonic(cid:160)Properties(cid:160)of(cid:160)Accretion(cid:160)Disk(cid:160)Around(cid:160)Compact(cid:160)Objects(cid:160)
Banibrata(cid:160)Mukhopadhyay(cid:160).........................................261
Maximum(cid:160)Brightness(cid:160)Temperature(cid:160)for(cid:160)an(cid:160)Incoherent(cid:160)
Synchrotron(cid:160)Radio(cid:160)Source(cid:160)
Ashok(cid:160)K.(cid:160)Singal(cid:160).................................................273
Nonlinear(cid:160)Jeans(cid:160)Instability(cid:160)in(cid:160)an(cid:160)Uniformly(cid:160)Rotating(cid:160)Gas(cid:160)
Nikhil(cid:160)Chakrabarti,(cid:160)Barnana(cid:160)Pal(cid:160)and(cid:160)Vinod(cid:160)Krishan..................281
Contents(cid:160) IX(cid:160)
Part(cid:160)VI(cid:160)Solar(cid:160)and(cid:160)Space(cid:160)Plasmas(cid:160)
An(cid:160)Overview(cid:160)of(cid:160)the(cid:160)Magnetosphere,(cid:160)Substorms(cid:160)and(cid:160)
Geomagnetic(cid:160)Storms(cid:160)
G.(cid:160)S.(cid:160)Lakhina,(cid:160)S.(cid:160)Alex,(cid:160)R.(cid:160)Rawat(cid:160) .................................293
Monte(cid:160)Carlo(cid:160)Simulation(cid:160)of(cid:160)Scattering(cid:160)of(cid:160)Solar(cid:160)Radio(cid:160)Emissions(cid:160)
G.(cid:160)Thejappa,(cid:160)R.(cid:160)J.(cid:160)MacDowall(cid:160)....................................311
Evolution(cid:160)of(cid:160)Magnetic(cid:160)Helicity(cid:160)in(cid:160)NOAA(cid:160)10923(cid:160)Over(cid:160)Three(cid:160)
Consecutive(cid:160)Solar(cid:160)Rotations(cid:160)
Sanjiv(cid:160)Kumar(cid:160)Tiwari,(cid:160)Jayant(cid:160)Joshi,(cid:160)Sanjay(cid:160)Gosain(cid:160)and(cid:160)
P.(cid:160)Venkatakrishnan(cid:160)..............................................329
Stability(cid:160)of(cid:160)Double(cid:160)Layer(cid:160)in(cid:160)Multi-Ion(cid:160)Plasmas(cid:160)
A.M.(cid:160)Ahadi,(cid:160)S.(cid:160)Sobhanian(cid:160)........................................337