Moto Relativistico per Particelle Cariche nell'Approssimazione del Centro di Guida ​

Le simulazioni numeriche sono uno degli strumenti più potenti per studiare in modo approfondito le dinamiche fisiche dei plasmi nell'ambito di fenomeni astrofisici ad alte energie come Nuclei Galattici Attivi (NGA) e lampi gamma. Questo tipo di oggetti è ritenuto responsabile dell'accelerazione di particelle ultrarelativistche, a loro volta responsabili delle emissioni ad alta energia nelle bande $\gamma$ e $X$. Sebbene il meccanismo principale dell'accelerazione particellare in questi oggetti sia ancora oggetto di dibattito, vari algoritmi sono stati sviluppati per descrivere il moto di particelle non termiche in plasmi astrofisici, ma la risoluzione di lunghezze scala dell'ordine del raggio di girazione che solitamente viene richiesta presenta tempi di calcolo estremamente lunghi. L'approssimazione del centro di guida è un metodo alternativo che può essere usato per accorciare il tempo macchina necessario trascurando i termini relativi alla girazione attorno alle linee di campo magnetico. In questa tesi presentiamo un nuovo modulo all'interno del software PLUTO (\cite{PLUTO2007}) per risolvere il moto di particelle relativistiche sotto approssimazione del centro di guida e i risultati sono confrontati con il più largamente utilizzato algoritmo di Boris, testandoli attraverso configurazioni semplici. Studiamo anche i limiti di questo approccio sia in situazioni di snapshot sia dipendenti dal tempo, e mostriamo infine alcuni risultati per applicazioni scientifiche più realistiche.

Computer simulations are one of the most reliable instruments to deeply investigate the dynamics of plasma physics relevant to high energy astrophysical phenomena, such as Active Galactic Nuclei (AGNs) and Gamma Ray Bursts (GRBs). These objects are thought to be responsible for the acceleration of ultrarelativistic particles ultimately responsible for the high energy emission in the $\gamma$ and X-ray band. Although the main mechanism of particle acceleration inside these regions is still a matter of debate, many algorithms have been developed to describe the motion of nonthermal particles inside astronomical plasmas, but the resolution of the gyroradius length scale which is usually required is very time consuming. The Guiding Center Approximation (GCA) is an alternative method that can be used to shorten computation times by discarding gyration about magnetic field lines. In this thesis we present a new module for the PLUTO \cite{PLUTO2007} software to solve the motion of relativistic test particles under the guiding center approximation and compare results with the widely used Boris algorithm, testing it over several simple setups. We investigate the limits of this approach both for snapshots and in time dependent scenarios, and finally show results for a couple more realistic scientific applications.