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
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
Weakly Turbulent MHD Waves in Compressible Low-Beta Plasmas
本文利用弱湍流理论研究了无碰撞低β等离子体中Alfven波与快、慢磁声波的相互作用。从磁流体动力学方程出发，推导出波动方程，并加入附加项，建立了无碰撞阻尼模型。这些方程用于提供各种非线性过程的定量描述，包括“平行”和“垂直”的能量级联，波类型之间的能量传递，“相位混合”，以及产生背散射阿尔芬波。
2008-10-30 astro-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
Simulations of Electron Acceleration at Collisionless Shocks: The Effects of Surface Fluctuations
高能电子是行星际激波和行星弓激波的共同特征，它们被用作非热射电辐射模型的关键组成部分，如太阳射电爆发。对高马赫数、准垂直激波（典型的太阳风中的激波）的电子加速进行了模拟研究。二维自洽混合冲击模拟提供了测试粒子电子被跟踪的电场和磁场。一系列不同的冲击类型，冲击法向角，和注射能量进行了研究。当马赫数较低，或模拟配置抑制沿磁场方向的波动时，结果与假设磁矩守恒反射（或快速费米加速）的理论一致，电子能量增益仅为2 - 3倍。在高马赫数条件下，采用真实的模拟外形，激波阵面具有动态波纹特征。能谱显示：（1）比快费米加速高得多的最大能量;（2）在2 - 5倍注入能量的中间能量处有一个平台区或浅斜坡区;（3）上游和下游粒子的能量增加，其斜率均随激波法线角的垂直而减小;（4）在激波法向角比绝热反射更宽的区域内的持续通量水平。所有这些功能是在很好的定性协议与观察，并表明在离子尺度的冲击表面的动态结构产生有效的散射，可以负责高马赫数冲击电子加速的有效网站。
2006-10-24 astro-ph
Particle Acceleration and Radiation associated with Magnetic Field Generation from Relativistic Collisionless Shocks
激波加速是天体物理等离子体中普遍存在的现象。等离子体波及其相关的不稳定性（例如，Buneman不稳定性、双流不稳定性和Weibel不稳定性）是粒子（电子、正电子和离子）加速的原因。利用三维相对论电磁粒子（REMP）程序，研究了在有和无初始磁场的环境等离子体中传播的相对论性喷流前沿的粒子加速。我们发现，在没有环境和弱环境磁场之间的结果只有很小的差异。模拟结果表明，在无碰撞冲击波阵面中产生的韦伯不稳定性加速了垂直和平行于射流传播方向的粒子。模拟结果表明，这种不稳定性是负责产生和放大高度不均匀，小尺度磁场，这有助于电子的横向偏转后面的射流头。来自偏转电子的"抖动“辐射与在均匀磁场中计算的同步辐射具有不同的性质。这种抖动辐射对于理解伽马射线暴、相对论喷流和超新星遗迹中复杂的时间演化和/或光谱结构可能是重要的。
2003-12-03 astro-ph
A Physical Relationship Between Electron-Proton Temperature Equilibration and Mach Number in Fast Collisionless Shocks
对无辐射（绝热）信噪比的Balmer主导光谱的分析表明，在冲击波速度v_s ≤ 400 km/s时，电子与质子温度之比接近1，但在冲击波速度超过2000 km/s时，急剧下降到跳跃条件所决定的最小值（m_e/m_p）。本文提出了一个非宇宙射线主导的强激波（v_s > 400 km/s）中电子和离子加热的物理模型，其中电子在激波前沿被低杂波加热。这些波自然地产生于激波上游的宇宙射线压力梯度。我们的模型预测了在很宽的冲击速度范围内电子加热的水平几乎是恒定的，产生的关系T_e/T_p ~ 1/v_s**2（~ 1 /M**2）与观测结果完全一致。
2006-11-09 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
Electron Injection at High Mach Number Quasi-Perpendicular Shocks : Surfing and Drift Acceleration
采用一维电磁粒子模拟方法研究了高马赫数无碰撞准垂直激波中电子的注入过程。我们发现高能电子是通过以下两个步骤产生的：（1）在冲击过渡区的前沿，电子通过冲击冲浪加速而几乎垂直于局部磁场加速。(2)通过冲击漂移加速进一步加速预加速的电子。结果，高能电子优先被反射回上游。冲击冲浪加速度提供足够的能量所需的反射。因此，它不仅对加速过程本身很重要，而且对触发二次加速过程也很重要。根据模拟结果，我们还提出了两步加速机制的理论模型，该模型可以预测后续扩散冲击加速过程的喷射效率。我们表明，本模型得到的注入效率与钱德拉X射线观测SN 1006得到的值吻合得很好。在典型的超新星遗迹激波中，由本机制注入的高能电子可以自发产生上游阿尔芬波，这些波会散射高能电子本身。
2007-02-19 astro-ph
Large parallel and perpendicular electric fields on electron spatial scales in the terrestrial bow shock
利用极地卫星上的矢量电场实验，测量了地球弓形激波中的大平行（$\leq$ 100 mV/m）和垂直（$\leq$ 600 mV/m）电场。这是首次报道的直接测量平行电场在无碰撞冲击。这些场存在于与电子趋肤深度（几公里）相当或小于电子趋肤深度的空间尺度上，并且对应于几十伏的磁场对准电势和高达一千伏的垂直电势。垂直场是有史以来在空间中测量到的最大的场之一，其能量密度为$ε_0 E^2/ n k_b T_e$的10%。测得的平行电场意味着电子可以被退磁，这可能导致随机（而不是相干）电子加热。
2007-03-08 astro-ph physics.space-ph
Oblique Ion Two-Stream Instability in the Foot Region of a Collisionless Shock
采用二维线性分析和静电粒子模拟方法研究了高马赫数垂直激波根部无碰撞等离子体的静电行为。模拟是双周期的，并作为脚的情况的代理。对具有反射质子束的较冷非磁化等离子体的线性分析表明，倾斜传播的Buneman不稳定性被强烈激发。我们还发现，当电子温度远高于质子温度时，最不稳定的模式是高度倾斜传播的离子双流不稳定性，通过背景质子和束质子的离子等离子体振荡之间的共振激发，而不是离子声学不稳定性，这是占主导地位的平行传播。为了研究离子双流不稳定性的非线性行为，我们对初始态满足Buneman不稳定性条件的激波足区进行了PIC模拟。在第一阶段，静电波通过布尼曼不稳定性二维增长以加热电子。在第二阶段，高度倾斜的离子双流不稳定性增长，主要加热离子。这一结果与以前基于一维模拟的研究相反，因为离子声不稳定性进一步加热电子。这一结果表明，考虑离子双流不稳定性与激波法线的高度倾斜传播，可以解决超新星遗迹中激波电子过热问题，多维分析对理解激波中粒子加热和加速过程至关重要。
2008-08-23 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
Particle acceleration, magnetic field generation, and emission in relativistic pair jets
激波加速是天体物理等离子体中普遍存在的现象。等离子体波及其相关的不稳定性（例如，Buneman，Weibel和其他双流不稳定性）在无碰撞冲击中产生，负责粒子（电子，正电子和离子）加速。利用三维相对论电磁粒子（REMP）程序，研究了相对论性喷流前沿传播到环境等离子体中的粒子加速。我们发现，韦伯不稳定性的增长时间与射流的洛伦兹因子成正比。模拟结果表明，在无碰撞冲击波阵面中产生的韦伯不稳定性加速了射流和周围的粒子垂直和平行于射流传播方向。
2005-02-16 astro-ph
Particle Acceleration, Magnetic Field Generation, and Emission in Relativistic Shocks
激波加速是天体物理等离子体中普遍存在的现象。等离子体波及其相关的不稳定性（例如，Buneman，Weibel和其他双流不稳定性）在无碰撞冲击中产生，负责粒子（电子，正电子和离子）加速。利用三维相对论电磁粒子（REMP）程序，研究了相对论性喷流前沿传播到环境等离子体中的粒子加速。我们发现，在没有环境和适度的环境磁场的结果有很小的差异。模拟结果表明，在无碰撞冲击波阵面中产生的韦伯不稳定性加速了射流和周围的粒子垂直和平行于射流传播方向。由韦伯不稳定性产生的小尺度磁场结构适合于从偏转电子（正电子）产生“抖动”辐射，而不是同步辐射。小尺度磁场结构产生的抖动辐射对于理解伽马射线暴或其他包含相对论喷流和相对论无碰撞激波的天体物理源中观测到的复杂时间结构和光谱演化可能是重要的。
2005-01-04 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
Tree-Particle-Mesh: an adaptive, efficient, and parallel code for collisionless cosmological simulation
本文提出了一种改进的模拟无碰撞宇宙动力学的N体程序。TPM（Tree-Particle-Mesh）将大尺度上的PM方法与树代码相结合，以处理小间距处的粒子-粒子相互作用。在计算了全球PM力之后，定位了给定密度对比度以上的空间上不同的区域;树代码以更高的空间和时间分辨率计算了这些密度更高的物体内部的引力相互作用。新的实现包括树内的单个粒子时间步长，改进的树上的潮汐力处理，更高的力分辨率和时间步长选择的新标准，以及大树的并行处理。TPM与P^3M和树码（GADGET）进行了比较，发现TPM在显著更短的时间内给出了等效的结果。该实现是高度可移植的（需要Fortran编译器和MPI），并在并行机上高效。源代码可以在http://astro.princeton.edu/~bode/TPM/上找到
2003-02-04 astro-ph
Turbulence and particle acceleration in collisionless supernovae remnant shocks: II- Cosmic-ray transport
如果磁场被激波前体中加速粒子的流动有效地放大，超新星残余激波可能是能量超过膝盖（$E\simeq3\cdot 10^{15} $ eV）的宇宙射线的起源。本文是\citep{pell05}的后续工作，它导出了这样产生的MHD湍流的性质，特别是它的各向异性特征、振幅和频谱。在本文中，我们计算的扩散系数，也占压缩通过冲击，并表明，预测的三维湍流谱$k_\perp S_{3\rm d}(k_\parallel,k_\perp)\propto k_\parallel^{-1}k_\perp^{-α}$（与$k_\parallel$和$k_\perp$的波数分量沿和垂直于激波法线）通常导致玻姆扩散在平行方向。然而，如果各向异性受到$k_\parallel \propto k_\perp^{2/3}$形式的关系的约束，当湍流能量级联以与尺度无关的恒定速率发生时，则扩散系数失去其玻姆标度和标度，如各向同性柯尔莫哥洛夫湍流。我们表明，这些扩散系数可以解释超新星遗迹的X射线观测结果。本文还计算了由于宇宙线在产生上游湍流时损失的能量和伴随的能谱陡化对费米循环的修正。最后，我们证实宇宙线在年轻的SNr中自由膨胀阶段可以产生一个放大的湍流，使得在星际介质的暖相，最大能量接近于膝点，谱指数接近于2.3
2006-03-17 astro-ph
A note on the theory of transverse diffusion in shock particle acceleration
本文研究了空间扩散系数的形式在快粒子激波加速中的作用。参考非经典扩散和使用的数值（混合）模拟的结果，为下游的冲击人口在准连续高马赫数无碰撞冲击，我们应用的理论，我们证明，推断的扩散系数是在极好的协议与理论的要求和预测。在无碰撞状态下的扩散被证明是非经典的Gibbsian（Lévy flight），虽然很弱，但依赖于时间。
2008-11-24 astro-ph
The Heating of Thermal Electrons in Fast Collisionless Shocks: The Integral Role of Cosmic Rays
了解在无碰撞冲击下电子被加热为准热能对等离子体天体物理学有着广泛的意义。它直接影响了对来自冲击的X射线谱的解释，对于理解能量如何在热和宇宙射线群之间分配非常重要，并提供了对冲击本身结构的深入了解。在Ghavamian，Laming & Rakowski（2007）中，我们提供了观测证据，证明在部分中性星际气体中超新星遗迹的外部爆炸波中，电子与质子温度比与冲击波速度之间存在平方反比关系。在那里，我们概述了宇宙射线先驱体中产生的低混杂波是如何通过将电子加热到一个共同的温度而产生这种关系的，而这个温度与冲击速度和周围磁场的强度无关。在这里，我们探讨了更详细的电子低杂波加热的机制。具体来说，我们研究的增长率的低混合波的动力（共振）和反应的情况下。我们发现，只有动力学的情况下表现出增长模式。在低阿尔文马赫数（~15）下，低混杂波的增长可以比修正阿尔文波的磁场放大更快。
2008-05-20 astro-ph
