Non-relativistic Collisionless Shocks in Unmagnetized Electron-Ion Plasmas
通过二维粒子模拟，我们证明了在非磁化电子-离子等离子体中，韦伯介导的无碰撞激波是以非相对论传播速度（0.1c < V < 0.45c）驱动的。结果表明，激波过渡区附近的数密度和平均速度的分布，用各自的上游值归一化，几乎与上游体积速度无关，即，冲击波的速度特别是，冲击过渡区的宽度是~100离子惯性长度的冲击速度无关。对于这些激波，激波过渡区内由韦伯型不稳定性产生的磁场的能量密度通常达到上游体动能能量密度的1-2%。这种机制可能解释了无碰撞冲击的强大形成，例如，由年轻的超新星遗迹驱动，没有假设宇宙中存在外部磁场。
2008-05-28 astro-ph
Hemispherical transport equation: modeling of quasiparallel collisionless shocks
利用所谓的半球模型，我们推导了宇宙线和热粒子在运动的无碰撞等离子体中被磁不均匀性沿俯仰角散射的一般输运方程。通过90度的弱散射导致每个半球中的各向同性颗粒分布。该考虑不受小的各向异性和颗粒速度高于特征流速差的条件的限制。对于高速度和小的各向异性的标准宇宙线输运方程恢复。我们应用导出的方程研究粒子的注入和加速的无碰撞冲击。
2006-12-23 astro-ph
Collisionless Shocks -- Magnetic Field Generation and Particle Acceleration
我们提出的数值结果从等离子体粒子模拟的碰撞冲击和超相对论逆流等离子体。我们演示了如何场粒子相互作用导致粒子加速背后的冲击波阵面。此外，我们演示了如何超相对论逆流等离子体创建大规模的补丁磁场结构，这些场结构传播下游的冲击波阵面。这些结果可能有助于解释磁场和加速电子的起源负责余辉同步辐射从伽马射线暴。
2003-03-16 astro-ph
Two-dimensional full particle simulation of a perpendicular collisionless shock with a shock-rest-frame model
本文发展了一个用于粒子模拟的二维激波静止框架模型。然后用二维全粒子模拟研究了垂直无碰撞激波的全动力学。我们发现，在2D模拟中有较少的非热电子由于冲浪加速，这是在以前的1D模拟中看到的高马赫数垂直冲击在低β和弱磁化等离子体。这是因为粒子沿周围磁场的运动干扰了电子冲浪加速所必需的相干静电孤立结构的形成。
2008-06-17 astro-ph
Intrinsic Radiation from Poynting Jets and Magnetized Collisionless Shocks
本文总结了近年来对坡印廷喷流辐射和强磁化无碰撞激波的PIC模拟结果。我们发现，在所有情况下的辐射功率输出远低于预测的同步辐射和临界频率也远低于同步辐射的临界频率。我们讨论了解释伽玛射线暴提示发射数据的影响。
2006-10-13 astro-ph
Fundamentals of Non-relativistic Collisionless Shock Physics: V. Acceleration of Charged Particles
本文对冲击波加速高能粒子的各种方法作了全面的评述。这些能量是有限的几个界限：非相对论性质的日光层无碰撞冲击，这一审查限制，这些冲击的有限大小，有限的下游区域的宽度，和湍流的性质。一般来说，日球层中的无碰撞冲击不能将粒子加速到非常高的能量。作为加速机制的一个基本问题，种子粒子的注入被确定。提出了种子粒子产生的一些机理。电子的加速开始揭示它的本质。本章主要研究了以下几个问题：1.介绍--一阶和二阶费米加速，2。加速离子时，他们已经快，扩散加速，对流扩散方程，李的自洽准线性冲击加速模型，3。观察，4。注入问题，离子冲浪，测试粒子模拟，自洽冲击加速模拟，下游泄漏，捕获粒子加速，5。加速电子，Sonnerup-Wu机制，星野电子在准垂直激波上的激波冲浪，准平行激波冲浪。
2008-06-25 astro-ph
Fundamentals of Non-relativistic Collisionless Shock Physics: IV. Quasi-Parallel Supercritical Shocks
1.第二章介绍。（准平行）前震;离子前震，离子前震边界区;扩散离子;低频上游波;离子束波;预期波型;观测;扩散离子波;电子前震;电子束;朗缪尔波;电子束稳定性;电子前震边界波;电子前震波的性质;辐射;观测;解释; 3.准平行激波重整;低马赫数准平行激波;湍流重组;观测;准平行激波重组模拟;一维混合模拟;二维混合模拟;全粒子PIC模拟;结论; 4。热流异常;观测;模式与模拟;孤立激波; 5.下游地区; 6.摘要和结论。
2008-05-16 astro-ph
Gamma-ray bursts and collisionless shocks
无碰撞激波中的粒子加速被认为是宇宙射线产生的原因，宇宙射线的能量范围很广，从几个GeV到>10^{20}eV，以及各种高能天体物理源的非热辐射。然而，基于第一原理的无碰撞冲击理论并不存在。对伽马射线暴（GRB）“余辉”的观测为诊断相对论性无碰撞冲击的物理学提供了一个独特的机会。大多数伽马射线暴被认为与大质量恒星的爆炸有关。它们的“余辉”，即伽马射线迅速爆发后延迟的低能辐射，可以通过一个模型很好地解释，其中余辉辐射是由于电子在爆炸驱动的相对论无碰撞冲击波中加速同步辐射到周围的等离子体中。在这个模型的框架内，无碰撞相对论冲击波的一些显著特征被揭示出来。这包括产生能量密度超过上游磁场约8个数量级的下游磁场，这种强磁场在激波下游距离约10^{10}趋肤深度处的生存，以及粒子加速到幂律能谱d \log n/d \log E ~-2，可能延伸到10^{20}eV。在这次演讲中，我回顾了现象学的考虑，基于这些特征的推断，以及对我们目前的粒子加速模型和无碰撞冲击中磁场产生的挑战。本文简要讨论了基于自相似激波结构假设的一些最新理论结果。
2006-10-17 astro-ph
Relativistic Collisionless Shocks in Unmagnetized Electron-Positron Plasmas
通过二维粒子模拟，证明了在非磁化正负电子等离子体中可以驱动无碰撞激波。在激波过渡区，强磁场是由类韦伯不稳定性产生的。所产生的磁场足够强，以大角度偏转来自激波上游的入射粒子，并为激波提供有效的耗散机制。无碰撞激波的结构几乎以恒定的速度传播。不存在与冲击波相对应的线性波，因此这可被视为一种“不稳定性驱动的”冲击波。产生的磁场在下游区域迅速衰减。它也被观察到，在下游区域的热化粒子的一小部分返回上游通过激波过渡区。这些粒子与上游入射粒子相互作用，并导致在激波上游产生电荷分离电流丝以及静电束不稳定性。结果，即使在激波过渡区的上游也会产生电场和磁场。在我们的模拟中没有观察到有效的粒子加速过程。
2007-07-04 astro-ph
Ion Heating in Collisionless Shocks in Supernovae and the Heliosphere
非碰撞激波在许多天体物理现象中起着作用，从日球层的日冕物质抛射（CME）到超新星遗迹。它们在加热和加速粒子中的作用是公认的，但离子加热的确切机制还没有得到很好的理解。两个系统，CME和超新星遗迹，进行了检查，以确定加热的重离子，因为他们通过碰撞冲击，从而提供了一个种子人口的宇宙射线加速过程。三个参数进行检查，等离子体β，马赫数的冲击和冲击的磁角。CME优先加热重离子。这与超新星的数据相反，超新星的数据显示出小于质量比例的加热。除了这些研究之外，天体物理系统中的加热还涉及中性原子。一个蒙特卡罗模型模拟了中性粒子穿过激波的过程。中性粒子可以产生冲击波的前兆，从而进一步加热等离子体。这项工作使用来自日光层的原位数据来研究天文系统，因为共同的冲击特性是远程研究冲击的磁分量的独特方式。
2005-06-14 astro-ph
Gamma-Ray Burst Synthetic Spectra from Collisionless Shock PIC Simulations
伽马射线暴的余辉辐射产生于相对论外流与静止的环爆介质之间的无碰撞等离子体激波界面。产生辐射的两个主要成分是高能非热电子和强磁场。在这封信中，我们提出，第一次，合成光谱直接提取的第一原理粒子在细胞模拟的相对主义无碰撞等离子体冲击。光谱是通过对大量粒子中的每一个的电远场进行数值傅立叶变换而产生的，这些粒子直接从粒子细胞模拟中采样。电磁场和非热粒子加速都是韦伯双流不稳定性的自洽产物。我们发现，辐射光谱从$Γ=15$冲击模拟显示出很大的相似性与观测到的伽玛射线暴光谱-我们比较特别是与GRB 000301 C。
2005-11-23 astro-ph
Electron acceleration at a low-Mach-number perpendicular collisionless shock
用全粒子模拟方法研究了电子在无碰撞、相对低的Alfven马赫数（M_A = 5）、垂直激波下的加速过程。最近的自洽混合激波模拟表明，沿低马赫数垂直激波的激波面，垂直激波阵面具有动态波纹特征。本文用大尺度（离子尺度）二维全粒子模拟方法研究了垂直激波的波纹效应对电子加速的影响。它已被证明，一个大幅度的电场被激发在与离子尺度的波纹冲击前，和反射的离子被加速上游在一个本地化的区域，在那里的冲击正常的电场的波纹结构被极化的上游。由高加速反射离子引起的电流驱动不稳定性对大振幅静电波有很高的增长率。高能电子然后产生的大幅静电波通过电子冲浪加速在冲击过渡区的前缘。结果表明，电子冲浪加速度也是低马赫数垂直无碰撞激波的一个共同特征。
2008-12-10 astro-ph
Fundamentals of Non-relativistic Collisionless Shock Physics: II. Basic Equations and Models
本文导出了导致描述无碰撞等离子体冲击波的守恒律的基本方程组。我们讨论了激波的波陡化的演变，推导出磁气体动力学激波的朗肯-Hugoniot条件，讨论了激波形成的各种分析模型，并讨论了在无碰撞激波物理中可能变得重要的基本不稳定性。然后，我们提出了一个调查的异常电阻率的准线性极限和超越的理论和讨论的冲击粒子反射的机制，因为他们已经在出版的文献中进行了调查。本章的主要内容如下：1.波陡化，描述简单波和由于非线性引起的波陡化，由Burgers激波中的耗散、Korteweg-de Vries方程中的色散效应、Sagdeev势方法、2.基本方程，提出动力学理论和过渡到力矩方程的流体描述，3。Rankine-Hugoniot关系，给出了跨激波的跳跃条件，垂直激波和平行激波的MHD显式解，以及高马赫数条件。波和不稳定性，给出一般色散关系，描述低$β$ -冲击，哨声和阿尔文冲击，各种冲击相关的不稳定性，5。各种静电波粒子相互作用的异常输运，异常电阻率的一般描述，激波粒子从电势和镜面反射，空穴形成，6。简要介绍了数值模拟技术，对这一重要领域及其方法给出了一个简短的想法。
2008-05-14 astro-ph
Ion acceleration processes at reforming collisionless shocks
超新星遗迹激波中宇宙线离子预加速机制的确定是天体物理学中的一个重要问题。最近的粒子在细胞（PIC）的冲击模拟表明，包括完整的电子动力学产生非时间静止的解决方案，在以前的混合动力（动力离子，流体电子）模拟。在这里，通过运行PIC代码在高相空间分辨率，离子加速机制与超临界无碰撞垂直冲击的时间依赖性进行检查。特别是分析了$\int \mathbf{F} \cdot \mathbf{v} dt$的组成部分，沿轨迹的离子，达到高和低能量。达到高能量的离子的选择机制也进行了研究。与准定常激波解相反，超热质子是根据它们到达激波的时间从背景粒子群中选出的，因此是以爆发的形式产生的。
2004-10-25 astro-ph
On the structure of relativistic collisionless shocks in electron-ion plasmas
电子-离子等离子体中的相对论无碰撞激波被认为发生在伽马射线暴（GRB）的余辉阶段，以及相对论流与星际介质相互作用的其他环境中。非磁化等离子体中的一种特殊激波机制引起了人们对伽玛暴应用的极大兴趣。在本文中，我们提出了非磁化相对论电子-离子冲击的从头算粒子模拟。使用长期的2.5维模拟与离子-电子质量比从16到1000，我们解决了冲击的形成，并达到一个稳态的冲击结构超出了最初的瞬态。我们发现，即使在高的离子-电子质量比最初未磁化的冲击可以有效地介导的离子韦伯不稳定性与典型的冲击厚度约50离子集肤深度。在冲击波的上游，与合并离子电流丝的相互作用加热了电子成分，使得冲击波后的流在离子和电子之间达到接近均分，电子温度达到离子温度的50%。这种能量交换有助于解释从伽玛射线暴余辉观测中推断出的大的电子能量分数。
2007-06-21 astro-ph
The spectrum of particles accelerated in relativistic, collisionless shocks
我们分析研究扩散粒子加速相对论，无碰撞冲击。我们发现一个简单的关系之间的频谱指数s和各向异性的动量分布沿冲击波阵面。基于这个关系，我们得到了各向同性扩散的s =（3 beta_u-2 beta_u *beta_d^2 + beta_d^3）/（beta_u-beta_d），其中beta_u（beta_d）是标准化为光速的上游（下游）流体速度。这一结果与以前对所有（β_u，β_d）的s的数值测定一致，并在超相对论极限下得到s=38/9。频谱各向异性连接是有用的测试数值研究和约束非各向同性扩散的结果。这意味着谱对沿激波阵面传播的粒子的扩散函数的形式是高度敏感的。
2004-08-25 astro-ph
Electron Shock Surfing Acceleration in Multidimensions: Two-dimensional Particle-In-Cell Simulation of Collisionless Perpendicular Shock
采用自洽二维粒子模拟方法研究了弱磁化介质中高马赫数无碰撞激波传播时电子的加速机制。模拟结果表明，强静电波激发通过电子-离子静电双流不稳定性在激波过渡区的前缘在早期的一维模拟的情况下。我们观察到强烈的电子加速，这是与动荡的静电波在冲击过渡区。激波过渡区的电子能谱具有明显的幂律分布，谱指数为$2.0 {\rm -} 2.5$。通过对加速电子运动轨迹的分析，我们发现这种加速机制与离子的冲击冲浪加速非常相似。然而，与离子冲击冲浪相反，高能电子在冲击过渡区被电子尺度的静电波动反射，而不是被离子尺度的交叉冲击静电势反射。反射的电子然后被冲击波前面的对流电场加速。我们的结论是，多维效应以及自洽的冲击结构是必要的强电子加速在高马赫数冲击。
2008-09-02 astro-ph
The Cosmic Ray Precursor of Relativistic Collisionless Shocks: A Missing Link in Gamma-Ray Burst Afterglows
无碰撞冲击通常被认为是宇宙线加速的场所。研究了CR对弱磁化相对论无碰撞激波的影响，并将结果应用于伽马射线暴（GRB）余辉中的外激波。一般认为，横向韦伯不稳定性（TWI）产生了一个小尺度的磁场，促进碰撞耦合和热化的冲击过渡。预计TWI场将在过渡的有限数量的质子等离子体趋肤深度上迅速衰减。然而，同步辐射在伽玛射线暴余辉表明，一个强大的和持久的磁场是目前在等离子体中，通过冲击，这个领域的起源是一个关键的悬而未决的问题。在这里，我们建议，涉及TWI的共同图片需要修改。也就是说，CR驱动湍流的激波上游的尺度远远大于集肤深度。这种湍流产生大规模的磁场，淬灭TWI并产生磁化冲击。新的磁场有效地限制了CR，提高了加速效率。CRs至少在相对论性的情况下改变了伽玛暴余辉中的激波。产生同步辐射的磁场的起源可能是在CR驱动的湍流中。我们不期望在外部GRB冲击中产生高能宇宙线。
2007-01-06 astro-ph
In-situ Particle Acceleration in Collisionless Shocks
一般来说，来自伽马射线暴、活动星系核和相对论性喷流的外流通过无碰撞激波与周围介质相互作用。我们用三维相对论粒子模拟研究了这种激波。实验结果表明，在磁丝附近产生了强度达均分系数的小尺度磁丝，电子通过一种新的加速机制被加速到幂律分布N（E）~E^{-p}.加速度是局部限制的、瞬时的，并且与费米加速度等递归加速度过程不同。我们发现，建议的加速机制与热化竞争，并成为重要的高洛伦兹因子。
2005-02-18 astro-ph
Electron-ion coupling upstream of relativistic collisionless shocks
粒子模拟表明，同步脉泽不稳定性可能发生在相对论磁化激波的前沿。这种不稳定性产生了强的低频电磁波，在激波的上游和下游传播。在冲击波的上游，这些波使电子落后于离子，从而产生纵向电场，电子被加速到离子的动能。然后在冲击波前沿热化的结果在等离子体具有相同的温度的电子和离子。在激波的下游，脉泽产生的波的振幅可能超过激波压缩的背景磁场的强度。在这种情况下，激波加速的粒子通过非线性康普顿散射而不是通过同步加速器机制辐射。辐射的光谱在低频带与同步辐射的光谱不同，这为模型提供了可能的观测测试。
2006-11-01 astro-ph
Magnetic Field Generation in Collisionless Shocks; Pattern Growth and Transport
我们提出的结果从三维粒子模拟的碰撞冲击与相对论逆流离子电子等离子体。在激波下游的许多表皮深度上跟踪粒子。开放的边界允许实验持续几个粒子交叉时间。实验证实了产生的强磁场和电场的韦伯式动力流不稳定性，并证明了电磁场传播远下游的冲击。磁场主要是横向的，并且与合并离子电流通道相关联。总磁能随着离子通道的合并以及磁场模式向下游传播而增长。电子群体迅速热化，而离子群体在屏蔽离子通道中保持不同的体速度，热化慢得多。这些结果有助于解释伽马射线暴余辉同步辐射/抖动辐射的磁场来源。
2004-03-18 astro-ph
Magnetic Field Generation and electron acceleration in Collisionless Shocks
利用三维相对论粒子模拟程序对等离子体壳层以相对论速度碰撞进行了数值实验。这种情况在许多天体中发现，例如伽马射线暴、活动星系核喷流和超新星遗迹的相对论外流。我们展示了如何一个韦伯式双流不稳定性是能够产生小规模的磁丝强度高达百分之均分。与同步辐射相反，这种场拓扑对于产生抖动辐射是理想的。我们还解释了场产生机制如何通过非费米加速机制将电子加速到幂律分布（N（E）~E^（-p））。结果增加了我们对无碰撞冲击的理解。
2004-10-16 astro-ph
Collisionless Plasma Shocks. Field Generation and Particle Acceleration
伽马射线暴是已知宇宙中能量最大的事件之一。一个高度相对论性的火球被喷射出来。在大多数情况下，爆炸本身会伴随着余辉，当火球穿过星周介质时，在减速的情况下发出余辉。为了解释余辉发射的观测结果，需要了解两个物理方面：1）火球中磁场的起源和性质; 2）激波后面的粒子速度分布函数。在现有的余辉模型中，这两个都是必要的，以解释被认为是同步辐射的现象。为了回答这些问题，我们需要了解在无碰撞冲击中起作用的微观物理学。使用3D粒子模拟，我们可以深入了解在这种冲击中发生的微观物理过程。我们讨论这样的计算机实验的结果。它示出了如何一个韦伯式双流等离子体不稳定性是能够创建一个强大的横向间歇性磁场和点的连接机制，在冲击区原位粒子加速。
2005-03-16 astro-ph
Fast Zonal Field Dynamo in Collisionless Kinetic Alfven Wave Turbulence
论证了无碰撞动力学阿尔芬波湍流产生快速发电机作用的可能性。电子朗道阻尼提供了锁定所产生的场所需的不可逆性，因此感应电场不会随电阻率而消失。的系统和这些结果的关系的理论的α淬火的自我调节机制进行了讨论。发电机产生的场具有类似于纬向流的对称性，因此称为纬向场。
2001-01-10 astro-ph physics.plasm-ph
Very High Mach Number Electrostatic Shocks in Collisionless Plasmas
本文提出了不同温度和密度的等离子体板碰撞产生无碰撞静电冲击的动力学理论。理论结果得到了自洽粒子模拟的证实，揭示了高马赫数（$M \gg 10$）静电激波的形成和稳定传播，远高于静电激波经典理论的预测。
2005-12-23 astro-ph physics.plasm-ph
Full particle simulation of a perpendicular collisionless shock: A shock-rest-frame model
采用一维电磁全粒子模拟方法研究了垂直无碰撞激波的全动力学。目前的模拟域是在激波静止框架中，与以前的完整的粒子模拟的冲击。初步结果表明，对于给定的上游参数，下游状态通过自洽动力学过程进入唯一的循环重整状态。
2006-10-30 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic field evolution in relativistic unmagnetized collisionless shocks
我们研究了相对论性非磁化无碰撞冲击使用前所未有的大粒子模拟的二维对等离子体。被激波加速的高能粒子驱动磁场演化的时间尺度大于10^4等离子体倍。在冲击波周围不断扩大的区域中，会产生越来越强的大尺度磁场。冲击产生的磁场和加速粒子分别携带>1%和>10%的下游能通量。我们的研究结果表明相对论天体物理流的磁化极限。
2009-03-09 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Ion leakage from quasiparallel collisionless shocks: implications for injection and shock dissipation
本文提出了一个准平行一维无碰撞激波中粒子输运的简化模型。在这个模型中，激波后面的MHD湍流由圆偏振的大振幅Alfvén波主导，该波起源于下游介质泄漏的粒子激发的湍流上游。有人认为，这样的波有显着增加其磁场在通过冲击界面的传输过程中可以有效地捕获热离子，调节其泄漏上游。与背景湍流一起，该波在入射离子流的热化中也起着重要作用。自洽地计算了泄漏粒子的频谱和由这些粒子激发的波的振幅。计算了基于这种泄漏机制的一阶费米加速的注入率，并与计算机模拟结果进行了比较。讨论了冲击等离子体中热分量和非热分量之间冲击能量分配的有关问题。泄漏颗粒的化学成分进行了研究。
1998-06-25 astro-ph physics.plasm-ph
Collisionless Dissipative Nonlinear Alfven Waves: Nonlinear Steepening, Compressible Turbulence, and Particle Trapping
可压缩等离子体中非线性Alfven波的磁能可能只与离子声准模有质动力耦合，这些准模调制波的相速度并引起波前变陡。在含有$β\not=0$的无碰撞等离子体中，非线性Alfven波的动力学也受到共振粒子-波相互作用的影响。在相对快速的演化（与粒子反弹时间相比）后，准驻波结构，与所谓的（Alfvenic）旋转不连续性相同，形成，其出现和动力学以前尚未被理解。非线性阿尔芬波的无碰撞（朗道）耗散也是太阳风加热的一种合理而自然的机制。将强的可压缩Alfvenic湍流看作是随机相互作用的Alfvenic间断和非线性波的集合，结果表明存在两个不同的湍流相。什么样的相位实现取决于这种无碰撞阻尼是否足够强，以在所有尺度上提供足够的能量汇，从而支持波能的稳态级联。然而，在长时间渐近中，粒子分布函数受波磁场的影响。在这个制度的非线性朗道阻尼，共振粒子被困在准静态Alfvenic不连续性，从而导致形成一个平台上的分布函数和淬火无碰撞阻尼。使用维里定理被困粒子，它分析表明，它们对非线性动力学的这种不连续性的影响是不平凡的，并迫使显着偏离传统的范式的理论。
1999-01-19 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
