Mahmoud Alawashra

• Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams. Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles,Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams. Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles, dramatically reducing the linear growth rate of the electrostatic instability and hence the energy-loss rate of the pair beam. Our results show that the IGMF eliminates beam plasma instability as an effective energy-loss agent at a field strength three orders of magnitude below that needed to suppress the secondary cascade emission by magnetic deflection. For intermediate-strength IGMF, we do not know a viable process to explain the observed absence of GeV-scale cascade emission and hence can be excluded. Secondly, we probed how the beam-plasma instability feeds back on the beam, using a realistic two-dimensional beam distribution. We found that the instability broadens the beam opening angles significantly without any significant energy loss, thus confirming a recent feedback study on a simplified one-dimensional beam distribution. However, narrowing diffusion feedback of the beam particles with Lorentz factors less than 1e6 might become relevant even though initially it is negligible. Finally, when considering the continuous creation of TeV pairs, we found that the beam distribution and the wave spectrum reach a new quasi-steady state, in which the scattering of beam particles persists and the beam opening angle may increase by a factor of hundreds. This new intrinsic scattering of the cascade can result in time delays of around ten years, thus potentially mimicking the IGMF deflection. Understanding the implications on the GeV cascade emission requires accounting for inverse Compton cooling and simulating the beam-plasma system at different points in the IGM.…
• Relativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt. Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust derRelativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt. Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust der Strahlen aufgrund von Instabilität beeinflussen. Sie stellten fest, dass diese schwachen Felder den Impuls der Teilchenstrahlen erheblich verändern können, was den Energieverlust aufgrund der Instabilität erheblich verlangsamt. Dies bedeutet, dass selbst extrem schwache IGMFs die Strahlungs Plasma-Instabilität unwirksam machen können, wenn es darum geht, Energieverluste zu verursachen. In der zweiten Studie haben sie untersucht, wie die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Teilchenstrahlen beeinflusst. Sie entdeckten, dass die Instabilität den Winkel der Strahlen erweitert, ohne signifikante Energieverluste zu verursachen. Im Laufe der Zeit könnten jedoch Partikel mit niedrigeren Energien anfangen, Energie zu verlieren. Wenn man die kontinuierliche Erzeugung von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt, stellten sie fest, dass die Verteilung der Strahlen und das Wellenspektrum schließlich einen stabilen Zustand erreichen, in dem die Partikel weiterhin gestreut werden und der Strahlenwinkel sich erheblich vergrößern kann. Diese intrinsische Streuung der Emission kann Zeitspannen verursachen, die es so aussehen lassen, als ob die IGMFs die Emission umlenken. Um die Auswirkungen auf die fehlende GeV-Emission vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler Faktoren wie inverse-Compton-Kühlung berücksichtigen und die Wechselwirkung zwischen den Teilchenstrahlen und dem umgebenden Plasma an verschiedenen Stellen im Weltraum simulieren.…