Incorporation of cosmic ray transport into the ZEUS MHD code. Application for studies of Parker instability in the ISM
我们提出了一个数值算法纳入积极的宇宙线输运，ZEUS-3D磁流体动力学代码。宇宙线的输运由扩散-平流方程描述。扩散张量的应用形式允许宇宙射线沿着和穿过磁场方向的各向异性扩散，这由两个参数控制：平行和垂直扩散系数。实施的数值算法进行了测试比较的扩散传输的宇宙射线的扩散方程的解析解。我们的方法是数值稳定的扩散系数的范围很广，包括从银河系的观测数据推断的约$ 6 \times 10^{28} \cm^2 \s^{-1}$的现实值。所提出的算法应用于示范性模拟的帕克不稳定性所引发的宇宙射线注入一个单一的SN残留。
2003-09-24 astro-ph
Two-Dimensional particle-in-cell simulations of the nonresonant, cosmic-ray driven instability in SNR shocks
在超新星遗迹中，无碰撞激波上游的磁场的非线性放大对于宇宙射线加速到10^{15.5}eV的“膝盖”能量至关重要。由宇宙射线电流驱动的非共振不稳定性被认为是造成这种效应的原因。我们进行二维，粒子在细胞模拟这种不稳定性。我们观察到的圆偏振非传播磁波的线性理论预测的初始增长。它表明，在某些情况下，磁能密度的增长波，可以增长到至少10倍，其初始值。我们没有发现竞争模式的证据，也没有显着的修改热效应。在晚些时候，我们观察到饱和的不稳定性的模拟，但负责的机制是一个人工制品的周期性边界条件，并没有对应的超新星冲击的情况。
2009-03-31 astro-ph
Skewness of Cosmic Microwave Background Temperature Fluctuations Due to Non-linear Gravitational Instability
定量计算了初始高斯绝热扰动与平坦（Harrison-Zeldovich）谱的宇宙微波背景（CMB）温度涨落的偏度，这种温度涨落是由于在物质支配阶段对引力势的非线性修正引起的.对于标准的CDM模型，这种效应似乎比以前预期的要小，即使对于小角度，也低于宇宙方差极限。偏度的符号与密度扰动的偏度的符号相反。
1995-06-01 astro-ph
A current driven instability in parallel, relativistic shocks
最近，贝尔重新分析了在超新星遗迹激波阵面的前驱区传播的宇宙射线激发波的问题。他指出了一种在动力学处理中被忽略的强的、非共振的、电流驱动的不稳定性，并认为它是环境磁场大幅放大的原因。磁场放大也是相对论激波阵面的形成和结构问题中的一个重要问题，特别是与伽马射线暴模型有关的问题。因此，我们概括了线性分析适用于这种情况下，假设一个相对论背景等离子体和单能，单向入射质子束。我们发现本质上相同的非共振不稳定性贝尔注意到，并表明，也在伽玛射线暴条件下，它的增长速度比共振波。我们量化的程度，在背景等离子体中的热效应限制的最大增长率。
2006-10-02 astro-ph
On the spectrum of high-energy cosmic rays produced by supernova remnants in the presence of strong cosmic-ray streaming instability and wave dissipation
宇宙线流动不稳定性在SN激波的前兆中产生了强烈的磁流体动力学湍流。湍流的水平决定了由扩散激波加速机制加速的宇宙射线粒子的最大能量。目前的考虑继续我们的工作Ptuskin & Zirakashvili（2003）。假设Kolmogorov型非线性波相互作用和离子-中性粒子碰撞共同限制了随机磁场的振幅。因此，加速粒子的最大能量强烈地依赖于SNR的年龄。在绝热SNR演化过程中（Sedov阶段）注入星际介质的宇宙射线的平均谱在能量大于10-30 Gev/核子时近似为$Q(p)p^{2}\propto p^{-2}$，最大粒子能量接近于在$\sim4\times10^{15}$ eV处观测到的宇宙射线谱中的膝点位置。在SNR演化的早期阶段-Chevalier-Nadyozhin解描述的喷出物占主导地位的阶段，粒子被加速到更高的能量，并具有相当陡峭的幂律动量分布。这些结果表明，膝关节可能标志着从弹射为主的绝热演化的SNR冲击加速宇宙射线。
2004-08-02 astro-ph
Parker-Jeans Instability of Gaseous Disks Including the Effect of Cosmic Rays
本文用线性分析方法研究了宇宙射线（CR）对磁化自引力气体盘的Parker-Jeans不稳定性的影响。我们采用了一个平板平衡模型，其中重力（包括自重）垂直于中平面，磁场沿平板分布。CR被描述为流体，并且仅考虑沿磁场线的扩散。线性化的方程数值求解。系统易受Parker-Jeans不稳定性影响。一般来说，当CR扩散系数较小时（即，CR和等离子体之间的耦合更强）。如果CR压力较大，则系统也不太不稳定。这是对Jeans不稳定性和Parker不稳定性在气体压力较大（或温度较高）时较不稳定的事实的回忆。此外，对于大的CR扩散系数（或小的CR压力），平行于磁场的扰动比垂直于磁场的扰动更不稳定，影响不同方向扰动增长率的另一个控制因素是圆盘的厚度或圆盘上的外压强度.事实上，这是某些参数体系中的决定性因素。
2005-06-07 astro-ph
Nonlinear Parker Instability with the Effect of Cosmic-Ray Diffusion
我们提出的帕克不稳定性，包括宇宙射线（CR）的影响，在磁化气体盘（银盘）的线性分析和二维局部磁流体动力学（MHD）模拟的结果。作为线性分析和MHD模拟的未扰动状态，我们采用了磁化双温分层圆盘的平衡模型，其具有平行于圆盘法线的恒定重力加速度。该盘由热气体、宇宙射线和垂直于重力加速度的磁场组成。宇宙射线沿磁场的扩散被认为是跨场线扩散应该是小的，被忽略。我们在模拟中研究了两种情况。在机械扰动的情况下，我们增加了一个平行于磁场线的速度扰动，而在爆炸扰动的情况下，我们增加了宇宙射线能量到一个球体中的宇宙射线注入。线性分析表明，如果CR和气体之间的耦合更强（即，CR扩散系数较小）。我们的MHD模拟的机械扰动证实了这一结果。我们表明，下降的物质是由CR压力梯度阻碍，这将导致增长率下降。在爆炸扰动情况下，耦合越强，磁环的增长越快。然而，在后期阶段的增长率的行为变得类似于机械扰动的情况下。
2004-02-14 astro-ph
A kinetic approach to cosmic ray induced streaming instability at supernova shocks
我们表明，一个纯动力学的方法来激发波的宇宙射线在附近的冲击波阵面导致预测的外观的非alfvénic快速增长的模式，具有相同的色散关系之前发现的\cite{bell04}通过处理等离子体的MHD近似。动力学的方法使我们能够调查这些波的色散关系的微观物理的电流补偿宇宙射线流的依赖。我们还表明，共振和非共振模式可能会出现在同一时间，这两个可能成为占主导地位的另一个取决于在加速区域的条件。讨论了超新星遗迹演化不同阶段中不稳定模式对磁场放大和粒子加速的作用。
2008-11-05 astro-ph
A cosmic ray current driven instability in partially ionised media
我们研究了在超新星遗迹激波的前兆环境中，由流动的宇宙射线驱动的磁流体波的增长。已知平行于平均磁场传播的横波对于宇宙射线分布中的各向异性是不稳定的，并且可以提供基本上放大环境磁场的机制。我们量化的程度，温度和电离分数修改这张照片。利用等离子体的动力学描述，我们推导了无碰撞热等离子体与宇宙线流的色散关系。流体方程，然后用来讨论中性离子碰撞的影响。我们计算了宇宙射线传播的环境对磁场增长的影响程度，并确定了可能的增长率范围。如果宇宙射线加速是有效的，我们发现，非常大的中性分数需要稳定的非共振模式的增长。对于我们银河系中典型的超新星参数，热效应不会显着改变生长速率。对于弱驱动模式，离子中性阻尼可以在更温和的电离分数下主导不稳定性。在超新星冲击波与分子云相互作用的情况下，例如RX J1713.7-3946，具有高密度和低电离，模式可以迅速衰减。
2007-09-20 astro-ph
Limits on diffusive shock acceleration in supernova remnants in the presence of cosmic-ray streaming instability and wave dissipation
研究了在星际介质中运动的超新星激波的宇宙线前兆的不稳定性。该区域的磁流体动力学湍流水平决定了扩散激波加速机制加速的粒子的最大能量。宇宙线加速的高效率是可以接受的，并且考虑不受弱湍流情况的限制。本文假设Kolmogorov型非线性波相互作用和离子-中性粒子碰撞共同限制了随机磁场的振幅。因此，加速粒子的最大能量强烈地依赖于超新星遗迹的年龄。在年轻超新星遗迹中，最大能量可达$\sim10^{17}Z$ eV，在Sedov阶段末期，能量下降到$\sim10^{10}Z$ eV左右。因此，在这种情况下，根据星际磁场强度计算的玻姆极限对最大粒子能量的标准估计是不合理的。这一发现可以解释为什么年龄超过几千年的超新星遗迹不是非常高能量伽马射线的主要来源。
2003-02-04 astro-ph
Coulomb Bubbles: Over-stable Driving of Magnetoacoustic Waves Due to the Rapid and Anisotropic Diffusion of Energy
我们进行了线性磁流体动力学扰动分析的分层磁化信封中的热扩散介导的带电粒子被限制沿磁场线流动。我们确定了一个不稳定性，“库仑泡不稳定性”，这可能被认为是标准的磁声快波和慢波，驱动的热量沿磁场的方向快速扩散。我们计算了各种平衡条件下库仑泡不稳定性的增长率和稳定性判据。库仑泡不稳定性是最强烈的驱动弱磁化的大气是强对流稳定。我们简要讨论了一个可能的天体物理学应用：星际宇宙射线在T ~ 10 ^6 K高温银河日冕中的扩散。我们表明，普遍接受的宇宙射线和气体压力的值，以及其整体特征尺寸，银河日冕是在一个边缘状态的稳定性相对于宇宙射线库仑泡不稳定。这意味着宇宙射线库仑泡不稳定性在调节星际宇宙射线的压力和传输特性方面发挥了作用，同时也是银盘上方的声功率源。（节略）
2007-03-06 astro-ph
Cosmic Ray Scattering in Compressible Turbulence
本文研究了低能宇宙射线在湍流压缩磁流体中的散射。我们发现，可压缩MHD模式-快或慢波的波长小于CR平均自由程诱导回旋不稳定性的CR。不稳定性的饲料新的小尺度Alfvenic波分量的波矢量主要沿磁场，这是不是MHD湍流级联的一部分。这一新的分量通过减小CR平均自由程来反馈不稳定性，我们发现，在大尺度上，环境湍流完全抑制了不稳定性，而在小尺度上，波陡化限制了波的振幅。我们提供了平面平行Alfvenic分量的能谱，并计算了CR的平均自由程作为其能量的函数。我们发现，在星际介质和团间介质中的湍流的典型参数的新Alfvenic组件提供的散射的低能量CR超过直接共振散射的MHD模式。这解决了文献中报道的低能量CR在湍流星际或团内介质中散射不足的问题。
2006-10-13 astro-ph
Diffusive Shock Acceleration with Magnetic Amplification by Non-resonant Streaming Instability in SNRs
我们研究了Bell（2004）提出的非共振流动不稳定性条件下的扩散激波加速。通过对磁场放大的MHD数值模拟，结合对宇宙线加速的解析处理，我们可以计算出被高速超新星激波加速的粒子的最大能量。给出了Cas A、Kepler、SN 1006和Tycho历史超新星遗迹的估计。我们还发现，放大的磁场的取向优先垂直于冲击波前下游的快速冲击。这解释了在年轻超新星遗迹中观测到的径向磁场的起源。
2008-01-29 astro-ph
A kinetic approach to non resonant modes and growth rates of streaming instability: consequences for shock acceleration
我们在这里表明，一个纯粹的动力学方法来激发波的宇宙射线在激波阵面附近导致预测的出现，一个非alfvenic快速增长模式，这是相同的，由贝尔（2004）通过处理等离子体在MHD近似。我们提出的动力学方法是更强大的，因为它使我们能够调查不同的模型的背景上游等离子体中的宇宙射线电流的补偿。
2007-06-12 astro-ph
Magnetic turbulence production by streaming cosmic rays upstream of SNR shocks
我们提出的磁湍流生产的各向同性的宇宙射线离子流上游的超新星遗迹冲击的粒子在细胞模拟的初步结果。这些研究旨在检验Bell（2004，2005）关于短波长非共振波模式强放大的MHD预测，并研究磁湍流的后续演变及其对宇宙线轨迹的反作用。上游湍流特性的详细知识对于确定激波加速过程的所有方面-宇宙射线的传输特性、激波结构、热粒子注入和加热过程-是至关重要的。磁场的放大也会促进粒子加速到宇宙射线谱中的“膝盖”之外。我们的动力学方法特别适合于解决宇宙射线上的反反应，它使我们能够测试贝尔的预测最终形成的扩展的宇宙射线分布中的超导结构，也达到了一个可靠的估计总的饱和磁场水平。模拟所选的参数有利于纯增长模式的快速激发。我们证实了上游等离子体中的宇宙射线离子的漂移导致了湍流磁场的产生，但表明场扰动的增长速率比用MHD方法估计的要慢得多，湍流的振幅在dB/B~1左右饱和。磁场也保持低于与上游等离子体的均分。
2007-05-30 astro-ph
Generation of Mesoscale Magnetic Fields and the Dynamics of Cosmic Ray Acceleration
宇宙线的起源问题，讨论了与他们的加速超新星遗迹冲击。扩散冲击加速机制进行审查和它的潜力加速粒子的最大能量（大概）银河宇宙射线（$10^{18}eV $）被认为是。有人认为，要达到这样的能量，一个强大的磁场的规模大于粒子回旋半径必须创建作为一个结果的加速过程，本身。这里提出的一个具体机制是基于在回旋半径尺度下产生Alfven波，随后通过与激波前兆中的强声学湍流相互作用转移到更长尺度。声湍流又可以由Drury不稳定性或Alfven波的参数不稳定性产生。
2005-06-09 astro-ph
The transport of cosmic rays in self-excited magnetic turbulence
扩散激波加速的过程依赖于磁流体波能够散射激波前体中的带电粒子的功效。自生波的增长由共振和非共振过程驱动。我们进行高分辨率的磁流体动力学模拟的非共振宇宙线驱动的不稳定性，其中不稳定波被激发超出线性制度。在所得场的快照中，进行粒子输运模拟。考虑到粒子的拉莫尔周期相对于不稳定性增长时间通常非常短，使用场的静态快照是合理的。扩散速率被发现是接近，或低于，玻姆极限的范围内的能量。这提供了第一个明确的证明，自激湍流降低了扩散系数，并对超新星遗迹中的宇宙射线传输和加速具有重要意义。
2008-02-01 astro-ph
Dynamics of Mesoscale Magnetic Field in Diffusive Shock Acceleration
我们提出了一个理论的产生中尺度（$kr_{g}\ll 1$，其中$r_{g}$是宇宙线回旋半径）磁场在扩散冲击加速。在激波环境中，共振激发的阿尔芬波散射周围密度扰动的衰减或调制不稳定性自然会产生更大尺度的场。对于宽谱的扰动，能量传递的物理机制是随机折射，由Alfven波包在$k-$空间中的扩散表示。散射场可以直接由衰变不稳定性或德鲁里不稳定性产生，德鲁里不稳定性是一种由宇宙射线压力梯度驱动的流体动力学不稳定性。这个过程对加速很有意义，因为它会产生波长更长的波，因此能够限制和加速更高能量的粒子。该过程还限制了在$r_{g}$尺度上共振产生的湍流磁场的强度。
2006-05-15 astro-ph
Turbulence and particle acceleration in collisionless supernovae remnant shocks: I-Anisotropic spectra solutions
本文研究了加速宇宙射线流在冲击波前驱体中激发的MHD湍流的性质。两个公认的制度（非共振和共振）的流不稳定性考虑在内。我们表明，非共振不稳定性是非常有效的，通过其增长和非线性传输之间的平衡饱和。然后宇宙射线共振不稳定性接管并被通过激波的平流淬灭。如果激波速度$V_{\rm sh}$大于$ξ_{\rm CR} c$的几倍，则湍流水平由非共振区决定，其中$ξ_{\rm CR}$是宇宙射线压力与激波动能的比值。这种不稳定性决定了谱与$k_\parallel$（沿激波法线的波数）的相关性。Alfvén波的横向级联同时决定了$k_{\perp}$的依赖性。我们还研究了前向波和后向波之间湍流能量的重新分配，这是通过两个阿尔文波和一个慢磁声波的相互作用而发生的。最后发现最长波长处的光谱几乎与$k_{\parallel}^{-1}$成正比。下游，各向异性通过激波交叉处的压缩而进一步增强。
2006-03-17 astro-ph
Skewness in the Cosmic Microwave Background Anisotropy from Inflationary Gravity Wave Background
在暴胀背景下，观测到的宇宙微波背景（CMB）温度的大角度各向异性被认为可以探测暴胀引起的原初度规扰动。虽然从通货膨胀的扰动预计是高斯随机场，仍然存在的可能性，在以后的时期的非线性过程诱导"二次“非高斯功能在相应的CMB各向异性地图。已有文献研究了标量（密度）微扰的非线性引力不稳定性引起的非高斯性。在本文中，我们强调了另一个来源的非高斯性所产生的高阶散射的CMB光子的度规扰动。我们提供了一个简单而优雅的形式主义，推导出的CMB温度波动所产生的萨克斯-沃尔夫效应超出线性秩序。特别地，我们推导出二阶CMB温度涨落的表达式。本文指出的多次散射效应导致了张量度规扰动，即，没有表现出引力不稳定性的重力波（GW）仍然可以对CMB各向异性图中的偏斜度做出贡献。我们发现，在平坦的$Ω=1$宇宙中，当重力波和标量扰动对总均方根CMB各向异性的贡献相等时，重力波通过多次散射效应对CMB的贡献与标量扰动的引力不稳定性对CMB的贡献相当.二次偏度被发现是小于宇宙方差导致的结论，通货膨胀的情况下预测，所观察到的CMB各向异性应该是统计上一致的高斯随机分布。
1997-08-02 astro-ph
Magnetohydrodynamic experiments on cosmic magnetic fields
众所周知，宇宙磁场，即行星、恒星和星系的磁场，是由运动的导电流体中的磁流体发电机效应产生的。宇宙磁场通过磁旋转不稳定性（MRI）使吸积盘中的角动量向外输运，在宇宙结构的形成中也起着积极的作用，这一点鲜为人知。在理解这两个过程方面已经取得了相当大的理论和计算进展。除此之外，在过去的十年里，人们在液态金属实验中研究这两种效应方面做出了巨大的努力。1999年，在里加和卡尔斯鲁厄的大型液态钠装置中观测到了磁场自激现象。最近，在法国的“冯卡门钠”（VKS）实验中也获得了自激。在马里兰大学的湍流球形Couette流的背景上发现了一个MRI样模式。磁共振成像作为流体动力学稳定流的第一个不稳定性的证据是在“波茨坦罗森多夫磁不稳定性实验”（PROMISE）中获得的。本文综述了发电机和MRI相关实验的历史，并讨论了未来的工作方向。
2008-10-13 astro-ph physics.flu-dyn
