Weibel-instability-mediated collisionless shocks in laboratory with ultraintense lasers
采用\emph{ab initio}多维粒子模拟方法，研究了实验室中强激光作用下非相对论性无碰撞激波的形成。微观物理背后的冲击形成和耗散，以及详细的冲击结构进行了分析，说明了韦伯不稳定性在产生强的次均质磁场，各向同性的传入流，并导致形成一个无碰撞的冲击，类似于发生在天体物理的情况下，起着至关重要的作用。在实验室中产生这种无碰撞冲击的可能性为直接研究与天体物理冲击有关的物理开辟了道路。
2012-04-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel instability-mediated collisionless shocks in laser-irradiated dense plasmas:Prevailing role of the electrons in the turbulence generation
本文采用粒子模拟方法研究了超高强度激光脉冲驱动下稠密等离子体中无碰撞湍流激波的产生。从线性分析中，我们强调了激光加热和返回电流电子在触发强烈的韦伯不稳定性中的关键作用，从而产生能够各向同性靶离子的磁湍流。
2015-02-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Evolution of three-dimensional Relativistic Ion Weibel Instability: Competition with Kink Instability
在本文中，我们报告了我们最近的相对论韦伯不稳定性和它的非线性饱和进行数值模拟的无碰撞等离子体的发现。分析所得到的数值结果表明，韦伯不稳定性的非线性阶段可以描述的特征相的基础上的粒子和阿尔文极限电流的韦伯细丝的电流密度。基于能量原理分析了磁流体动力学（MHD）区的相对论性扭结不稳定性，发现在高达1000 $ω_{p,i}^{-1}$的磁流体动力学区，韦伯细丝不发生相对论性扭结不稳定性.这一发现使得相对论性韦伯不稳定性能够维持磁场，这种不稳定性足以成为MHD发电机的种子。
2019-04-15 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Enhanced Magnetic Field Amplification by Ion-Beam Weibel Instability in Weakly Magnetized Astrophysical Shocks
本文研究弱磁化激波中离子束韦贝尔不稳定性，发现背景磁场会显著影响其演化，并通过粒子模拟揭示磁化电子情形下存在类发电机磁场放大机制，最终引发自发磁重联，适用于年轻超新星遗迹激波。
2023-12-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron Surfing and Drift Accelerations in a Weibel-dominated High-Mach-number Shock
本文用三维从头算粒子模拟方法研究了电子在高马赫数准垂直激波中如何被加速到相对论能量。我们发现，相干静电布曼波和离子韦伯磁湍流共存于一个强冲击结构，使粒子获得能量在冲击冲浪和随后的随机漂移加速。最初经历冲浪加速度的高能电子通过与磁湍流相互作用进行俯仰角扩散，并在激波过渡区的限制期间连续加速。离子-韦伯湍流是电子有效非热加速的关键。
2017-09-12 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Change of a Weibel-type to an Alfvénic shock in pair plasma by upstream waves
我们研究与粒子在细胞（PIC）模拟如何对等离子体中的平行冲击上游波，这是由逃逸的下游粒子驱动的反应。最初，在二维模拟中，激波是由磁致伸缩（梁-韦伯）不稳定性维持的。逃逸粒子驱动静电束流不稳定性上游。这些波对上游等离子体的修改几乎不影响激波。随着时间的推移，逃逸粒子的密度降低和温度升高会淬灭束流的不稳定性。沿磁场方向的热能大于垂直于磁场方向的热能会使对阿尔文模式不稳定。在上游等离子体的静止坐标系中，增长的成对阿尔文波的群速度低于激波的群速度，激波赶上波。在二维模拟中，积累的成对Alfvén波逐渐将激波从韦伯型激波变为初始条件下马赫数约为6的Alfvénic激波。
2020-05-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Microphysics of Particle Reflection in Weibel-Mediated Shocks
通过PIC模拟追踪正负电子对等离子体激波中的测试粒子，研究了Weibel介导激波中粒子反射的微观物理机制，揭示了约1%粒子注入效率的成因并提出了预测高能粒子比例的模型。
2023-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of Weibel-mediated relativistic collisionless shocks
我们发展了一个全面的理论模型的相对论性无碰撞对冲击介导的电流的双折射不稳定性。我们显着的非惯性框架中，这种不稳定性是一个主要的磁性的特点，并描述在微观层面上的减速和加热的传入的背景等离子体通过其碰撞与电磁湍流的相互作用。我们的模型比较大规模的2D3V PIC模拟，并提供了一个重要的试金石等离子体系统的现象。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Mach Number Dependence of Ion-scale Kinetic Instability at Collisionless Perpendicular Shock: Condition for Weibel-dominated Shock
本文采用线性理论和非线性粒子模拟方法研究了无碰撞激波下离子尺度动力学等离子体不稳定性。我们专注于阿尔文离子回旋（AIC），镜子，和韦伯不稳定性，这都是驱动不稳定的有效温度各向异性诱导的冲击反射离子在过渡层内的严格垂直冲击。我们进行线性色散分析与均匀等离子体模型来模拟激波过渡层，采用环形分布与有限的热扩散来代表反射离子的速度分布。我们发现，对于平行于环境磁场的波传播，在较低的阿尔文马赫数的AIC不稳定性倾向于过渡到韦伯不稳定性在较高的阿尔文马赫数。然而，不稳定性也强烈地受到声马赫数的影响。我们的结论是，在阿尔文和声音马赫数都超过$\sim 20{\rm -}40$的强激波的不稳定性可以被认为是韦伯的意义上，反射离子的行为基本上未磁化。二维PIC模拟证实了线性理论，并发现，与典型的年轻超新星遗迹冲击参数，环分布模型产生的背景磁场，这是小于以前的PIC模拟中观察到的韦伯为主的冲击的顺序的磁波动。这表明，回旋反射离子分布的假设可能不足以定量预测高马赫数冲击的动力学的非线性行为。
2021-07-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless Weibel shocks: full formation mechanism and timing
等离子体中的无碰撞激波在空间物理学（地球弓形激波）和天体物理学（超新星遗迹、相对论喷流、伽马射线暴、高能宇宙射线）中发挥着重要作用。虽然通过大幅值声波的陡化形成流体冲击已经被理解了很长时间，但是目前还没有详细的描述负责形成无碰撞冲击的机制的图片。我们解开的物理机制在工作中，并表明，电磁韦伯冲击总是形成时，两个相对论碰撞，最初未磁化，等离子体壳遇到。预测的冲击波形成时间与逆流对等离子体的2D和3D粒子模拟吻合得很好。通过预测激波形成时间，可以将旨在产生这种激波的实验装置优化到有利的条件。
2014-06-16 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic field amplification by the Weibel instability at planetary and astrophysical high-Mach-number shocks
无碰撞冲击在宇宙中普遍存在，并且通常与强磁场有关。在这里，我们使用大规模的粒子模拟的非相对论性的垂直冲击在高马赫数制度，以研究内的磁场的冲击放大。由于离子-离子双流的韦伯不稳定性，在激波转变处磁场被放大。归一化的磁场强度与Alfvénic马赫数密切相关。来自PIC模拟的模拟航天器测量结果与卡西尼号航天器在土星弓形激波处原位测量的结果完全一致。
2021-02-08 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.comp-ph
Weibel instability in hot plasma flows with production of gamma-rays and electron-positron pairs
本文给出了两种逆流热相对论等离子体流中的韦伯不稳定性的理论分析和数值模拟结果，例如具有静止质量密度$ρ\sim 10^{-4}\; \text{g}\, \text{cm}^{-3}$、洛伦兹因子$Γ\sim 10$和适当温度$T \sim 10^{13}\; \text{K}$的电子-质子等离子体流。的不稳定性增长率和细丝的尺寸在线性阶段被发现解析，并在定性与三维粒子在细胞模拟的结果。模拟中考虑了电磁场中的非相干同步辐射和光生电子对。如果等离子体流足够密集、快速和/或热，则同步加速器光子的总能量可以比所产生的电磁场的能量大得多。此外，由于在所产生的磁场中的成对光生，可以产生相当数量的正电子。我们提出了一个粗略的标准，判断丰富的对生产和同步辐射损失。通过这个判据，我们得出结论，非相干同步辐射和对生产过程中的韦伯不稳定性可以有意义的伽马射线暴的Bracksar模型。
2017-09-16 astro-ph.HE
Collisionless Weibel shocks and electron acceleration in gamma-ray bursts
本文研究了伽马射线暴中的无碰撞外激波。通过自洽的三维粒子模拟，对冲击波结构、电磁场和电子加速过程进行了分析。根据流体动力学激波系统，激波由反向激波（RS）和前向激波（FS）组成，它们之间由接触间断（CD）隔开。其发展和结构受离子韦伯不稳定性控制。离子丝是在双激波结构两侧的强横向电磁场的源，长度为30 - 100离子趋肤深度。电子被加热到最大能量$ε_{\rm ele}\approx \sqrt{ε_{\rm b}}$，其中$ε$是归一化为总入射能量的能量。由于双极电场的存在和冲击区强横向磁场的反射，喷流电子被捕获在RS过渡区。在类似于离子的冲击冲浪加速（SSA）的过程中，电子经历漂移运动并通过垂直于冲击传播方向的平面中的离子丝横向电场加速。最终加速的喷射电子对流回到上游。
2015-08-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel-dominated quasi-perpendicular shock: hybrid simulations and in situ observations
本研究通过混合动力学模拟与太阳风高马赫数激波的就地观测直接对比，发现激波脚区的离子Weibel不稳定性是观测波特性的成因，并提取了反射离子参数的线性近似以供解析模型使用。
2023-10-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Quasi-nonlinear approach to the Weibel instability
天体物理学和高能量密度实验室等离子体通常具有由各种动力学流或各向异性驱动的不稳定性激发的大振幅，亚拉莫尔尺度的电磁波动。韦伯不稳定性是特别重要的，因为它可以迅速产生强磁场，即使在没有种子场的情况下。粒子在具有这种小尺度磁场的无碰撞等离子体中传播时，会发生类似于库仑碰撞的随机偏转，磁俯仰角扩散系数代表有效的“碰撞”频率。我们发现，这种效果的等离子体的“准碰撞”可以强烈影响的增长率和发展的韦伯不稳定性的深度非线性制度。这一结果对于理解伽马射线暴或超新星的无碰撞激波上游区域中宇宙射线驱动的湍流特别重要。我们证明，在上游产生的领域所造成的准碰撞抑制不稳定性略有下降，但永远不能完全关闭它。这证实了无碰撞前震自相似模型中的假设。
2017-05-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonlinear dynamics of the ion Weibel-filamentation instability: an analytical model for the evolution of the plasma and spectral properties
我们提出了一个预测模型的非线性相位的韦伯不稳定性引起的两个对称的，逆流离子束在非相对论制度。这种自洽模型将Davidson等人[Phys. Fluids 15，317（1972）]的准线性动力学理论与电流丝聚结的简单描述相结合。它使我们能够遵循的离子参数的演变到一个阶段接近完成各向同性，因此是最感兴趣的了解碰撞冲击形成的动力学。它的预测支持的2-D和3-D粒子在细胞模拟的离子韦伯不稳定性。导出的近似解析解揭示了离子弛豫对各向同性的各种依赖关系。特别是，它被发现的电子屏蔽的影响，可以影响使用非物理的电子质量的模拟结果。
2015-04-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Non-linear collisionless damping of Weibel turbulence in relativistic blast waves
在弱磁化无碰撞冲击波的物理学中，韦伯/双折射不稳定性起着关键的作用。从高能天体物理学的角度来看，这种不稳定性也起着至关重要的作用，因为它在激波前兆中的发展使下游充满了小尺度的静磁湍流，这种湍流形成了超热粒子的加速和辐射过程。本工作讨论了相对论性无碰撞冲击波的韦伯产生的湍流下游的耗散的物理。它明确地计算与粒子轨迹的扩散性质相关的一阶非线性项。这些修正被发现系统地增加阻尼率，假设散射长度保持大于磁波动的相干长度。这种校正的相关性进行了讨论，在更广泛的天体物理学的角度来看，特别是关于物理学的外部相对论性冲击波的伽马射线暴。
2014-10-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Detailed Analysis of Filamentary Structure in the Weibel Instability
我们提出了一个2D 3V动力学Vlasov模拟的韦伯不稳定性的结果。动力学Vlasov模拟使我们能够研究稀等离子体的速度分布，其中粒子之间的碰撞的影响可以忽略不计，并且具有计算的速度分布的精度不依赖于物理空间中每个点处的等离子体密度的优点。我们成功地再现了其他模拟中所显示的韦伯不稳定性的一些特征，如指数增长相、磁场强度饱和、非线性结构的形成以及细丝的合并等。特别地，我们着重研究了在磁场强度饱和后的丝的行为，发现在并合之前存在一种准平衡态。此外，还发现2D 3V Vlasov-Maxwell系统定态的解析解能再现准平衡态的一些主要特征，如磁场的位形和各点的速度分布.该解析表达式可以给出一个合理的模型，过渡层的碰撞激波的强磁场产生的韦伯不稳定性提供了一个有效的耗散过程，而不是粒子之间的碰撞。
2009-01-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of relativistic collisionless shocks: The scattering center frame
在这一系列的第一篇论文致力于非磁化，相对论性无碰撞对冲击的微观物理，我们讨论的韦伯型横向电流偏转不稳定性（CFI）的物理发展的冲击前兆，通过一个超相对论性超热粒子束与背景等离子体的相互作用。我们特别介绍的概念“韦伯框架”，或散射中心框架，其中的微湍流主要是磁性的性质。我们计算这个框架的属性，首先使用动力学制剂的线性阶段的不稳定性，依赖于麦克斯韦-Jüttner分布函数，然后使用准静态模型的非线性阶段的不稳定性。这两种方法都表明：（i）韦伯坐标系相对于背景等离子体以亚相对论速度运动，因此相对于激波阵面以相对论速度运动;（ii）韦伯坐标系相对于背景等离子体的速度与$ξ_{\rm b}$成比例，即，的压力的超热粒子束的动量通量密度进入冲击的单位;及（iii），韦伯帧移动略低于背景等离子体相对于冲击波前。我们的理论结果被发现是在专用的大规模2D 3V PIC模拟进行的测量满意的协议。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Observation of magnetic field generation via the Weibel instability in interpenetrating plasma flows
等离子体流中的强磁场可以产生无碰撞冲击，因此在许多天体物理系统中很常见。韦伯不稳定性是产生足够强的场以产生无碰撞激波的一种候选机制。尽管韦伯不稳定性在天体物理系统中扮演着重要的角色，但在实验中观测韦伯不稳定性产生的磁场一直是一个挑战。使用质子探针直接成像电磁场，我们提出的证据，韦伯产生的磁场，生长在相反的，最初未磁化的等离子体流从激光驱动的实验室实验。三维粒子模拟表明，不稳定性有效地从等离子体流中提取能量，并且自生的磁能达到系统总能量的百分之几。这一结果表明，该实验平台适合于调查广泛的天体物理现象，包括超新星遗迹中无碰撞激波的形成、大规模磁场放大和伽马射线暴的辐射特征。
2015-03-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cavitation instability in unmagnetized relativistic pair shocks
Ben-Gurion University（本-古里安大学）
该研究揭示了未磁化相对论电子等离子体激波中空洞不稳定性形成机制，通过非线性Weibel不稳定性解释其产生，并探讨其在天体激波中宏观磁场形成中的作用。
2025-11-01 astro-ph.HE
PIC simulation of a thermal anisotropy-driven Weibel instability in a circular rarefaction wave
最初未磁化的平面稀疏波的膨胀最近被证明会触发热各向异性驱动的韦伯不稳定性（TAWI），其可以从噪声水平产生磁场。它是在这里检查，如果TAWI也可以生长在一个弯曲的稀疏波。最初未磁化的圆形等离子体云，其中包括质子和热电子，到真空中的膨胀为此目的建模与二维粒子在细胞（PIC）模拟。结果表明，从电子到径向加速质子的动量转移确实可以触发TAWI。径向电流通道的形式和非周期性增长的磁波，它具有一个磁场，是正交的模拟平面。感应电场意味着电子密度梯度不再平行于电场。这里提出的证据表明，这种电场修改触发第二磁不稳定性，这导致在旋转低频磁波。TAWI的相关性进行了讨论的小尺度磁场在天体物理环境中，这是需要解释天体物理喷流的电磁辐射的增长。它概述了这种不稳定性可以通过实验来检查。
2012-02-11 astro-ph.HE
PIC Simulations of the Temperature Anisotropy-Driven Weibel Instability: Analyzing the perpendicular mode
用二维粒子模拟方法研究了单电子热各向异性驱动的不稳定性。这种不稳定性是一个考虑的韦伯和它不同的光束驱动的平行不稳定性。模拟结果与解析理论的比较提供了类似的指数增长率的磁场在线性增长阶段的不稳定性。我们观察到，按照以前的作品的增长电场在饱和阶段的不稳定性。这个电场的某些分量不能用线性化理论来解释。基于单流体的理论被用来确定这种非线性电场的来源。它表明，磁应力张量，在一维几何形状中消失，是更重要的，在这个2维模型在这里使用。电场增大到一定幅度，对电子产生的力与磁场相当。模拟平面中每个磁场分量的峰值能量密度与先前的估计一致。涡电流的发展，这使得第三磁场分量的幅度增长，这在一维模拟中没有观察到。
2010-06-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particles trajectories in Weibel magnetic filaments with a flow-aligned magnetic field
为了形成韦伯激波，两个等离子体壳层必须碰撞并触发韦伯不稳定性。在饱和时，这种不稳定性在重叠区域中产生具有峰值场$B_f$的磁丝。在没有外部引导磁场的情况下，如果这些细丝的尺寸大于峰值场中入射粒子的拉莫尔半径，则它们可以阻挡入射流，从而引发激波形成。在这里，我们表明，这一结果仍然保持在外部磁场$B_0$的存在下，只要它不是太高。然而，对于$B_0 \gtrsim B_f/2$，无论粒子的初始速度如何，细丝都无法阻止任何粒子。
2016-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Precursor Wave Emission Enhanced by Weibel Instability in Relativistic Shocks
本文研究了磁化相对论对等离子体中纯垂直激波的前驱波发射效率。我们扩展了我们以前的研究，包括上游磁场方向的依赖性。我们进行了二维的粒子-细胞模拟，并集中在两个磁场方向上：磁场在模拟平面中（即，平面内配置）并且垂直于模拟平面（即，平面外配置）。我们在平面内的模拟表明，不仅非常，而且普通模式波激发。我们量化的发射效率作为磁化参数$σ_e$的函数，并发现，大振幅的前驱波发射的$σ_e$的范围很广。我们发现，特别是在低$σ_e$，由韦伯不稳定性产生的磁场放大的普通模式波功率。的振幅是足够大的扰动上游等离子体，和横向密度细丝产生的情况下，在以前的研究中调查的平面外配置。我们证实了我们之前的结论成立，无论上游磁场方向相对于二维模拟平面。在此基础上，我们讨论了相对论激波的三维前驱波发射和尾场加速的可行性。
2018-03-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion Weibel Instability in the hybrid framework: the optimal resolution
Columbia University（哥伦比亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；The University of Tokyo（东京大学）
研究等离子体混合框架中离子韦贝尔不稳定性在弱磁化区域的最优分辨率要求及验证方法，通过混合模拟和全粒子-细胞模拟对比，揭示了离子尺度不稳定性对韦贝尔磁场增长和饱和的影响。
2026-07-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electrostatic and electromagnetic instabilities associated with electrostatic shocks: two-dimensional particle-in-cell simulation
本文采用二维电磁粒子模拟方法研究了相对高速（~3000 km/s^-1）等离子体流中的静电无碰撞激波，以及激波周围可能产生的静电和电磁不稳定性对激波动力学的影响。结果表明，静电离子-离子不稳定性可以发展在前面的冲击，在那里的等离子体是在逆流条件下，具有高度倾斜的波矢，如前所述。由静电离子-离子不稳定性产生的静电势斜向激波表面传播，变得与激波势相当，最终激波结构被破坏。结果还表明，在激波前，束-韦伯不稳定性也逐渐增强，从而表明束-韦伯不稳定性产生的磁场在激波的长期演化中起重要作用，并且在静电激波消失后很长时间内，韦伯介导的激波才形成。还观察到，二次静电冲击形成在初级静电冲击前面的反射离子中。
2010-03-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetogenesis in a collisionless plasma: from Weibel instability to turbulent dynamo
在完全动理学框架下，通过外部机械力研究未磁化等离子体中磁场的自洽产生与放大，揭示了 Weibel 不稳定性产生种子场并经涨落发电机放大至能量均分的过程，对星系团及星系际磁场起源有重要意义。
2023-07-28 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Synchrotron and Inverse-Compton Signatures of Black to White Hole Explosions: Weibel-Mediated External Shocks in the Interstellar Medium
Department of Physics, Hanoi Pedagogical University 2（河内师范大学二系物理系）
该研究探究黑洞到白洞爆炸的抛射体扫过星际介质产生的非热电磁对应体，通过Weibel介导激波建模辐射过程，发现其余辉演化远快于经典长GRB，可作为区分其他快速瞬变的特征。
2026-08-17 astro-ph.HE gr-qc
Weibel Instability in Collisionless Plasmas Across Astrophysical and Laboratory Shocks
Sikkim University（锡金大学）；Netaji Subhas University of Technology（内塔吉·苏巴斯技术大学）
本文通过冷流体分析研究了Weibel不稳定性在四种不同情形下的表现，得出了最大增长率和特征不稳定性波数的标度关系，并验证了实验数据与理论预测的一致性。
2026-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Radiation of electrons in Weibel-generated fields: a general case
韦伯不稳定性是高能量密度环境中普遍存在的现象，其范围从天体物理源，例如，从伽马射线暴到涉及激光产生等离子体的实验室实验。相对论性粒子（电子）在韦伯产生的磁场中以抖动状态辐射。传统上，在这种情况下，粒子偏转被认为小于1/ $γ$（$γ$是发射粒子的洛伦兹因子）的相对论性射束角，并且粒子分布被假设为各向同性的。就实验室实验而言，这是一个相对理想化的情况。我们放松辐射粒子分布的各向同性的假设，并提出扩展的抖动理论适合与实验数据进行比较。
2009-06-05 astro-ph.HE
Evolution of Global Relativistic Jets: Collimations and Expansion with kKHI and the Weibel Instability
相对论喷流与环境的相互作用是研究相对论喷流的关键问题之一。在这里，我们研究了电子-质子和电子-正电子相对论射流的初始演化，重点是它们与周围等离子体的横向相互作用。我们跟踪的动力学开尔文-亥姆霍兹（kKH）和蘑菇不稳定性（MI）所产生的环形磁场的产生和演变。这个磁场使射流准直。我们发现，在电子-质子喷流中，电子是垂直加速的喷流准直。随着不稳定性的减弱，在喷流的中部，磁场的极性由顺时针方向转变为逆时针方向。对于电子-正电子喷流，我们发现电子-正电子与周围等离子体的强烈混合物，导致弓激波的产生。磁场电流丝的合并产生密度隆起，从而引发前向冲击。射流和周围颗粒之间的强烈混合阻止了射流在研究尺度上的充分发展。因此，我们的结果提供了直接的证据，射流准直和粒子加速在所产生的弓形激波。由电子-质子和电子-正电子喷流产生的磁场结构的差异可能导致电子发射的偏振性质的可观察差异。
2016-02-04 astro-ph.HE
Kinetic simulations of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. III. Magnetic reconnection
采用二维粒子模拟方法研究了高马赫数非相对论垂直激波下电子加速问题。SNR冲击介导的韦伯不稳定性，这是因为冲击反射和上游离子之间的相互作用激发。韦伯不稳定性的非线性演化导致电流片的形成。在湍流激波斜坡处，电流片通过磁重联衰减。重联点的数目强烈地依赖于离子-电子质量比和模拟激波的Alfvénic马赫数。在磁重联作用的位置观察到电子加速。对于最高的质量比，几乎所有的电子都参与了磁重联，这使得磁重联成为电子在这些冲击中的主要加速过程。我们讨论了我们的结果与现实的离子-电子质量比的3D系统的相关性。
2020-03-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron acceleration in a nonrelativistic shock with very high Alfvén Mach number
利用二维全动力学PIC模拟方法，研究了非相对论性、超高Alfvén马赫数（$M_A \sim 45$）激波中电子加速与等离子体动力学不稳定性的关系.电磁（离子韦伯）和静电（离子声学和布尼曼）不稳定性强烈激活在同一时间在不同区域的二维激波结构。相对论电子主要是由激波冲浪机制与布尼曼不稳定性在前沿的脚迅速产生。能谱具有超过伴随主要热布居的上游离子动能的高能量尾部。这为激波前沿的离子声不稳定性提供了有利条件，而这反过来又导致了额外的振荡。大振幅离子韦伯不稳定性产生电流片的脚，这意味着另一种耗散机制，通过磁重联在三维激波结构中的非常高的$M_A$制度。
2013-10-31 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fundamentals of collisionless shocks for astrophysical application, 2. Relativistic shocks
本文综述了无碰撞相对论激波的最新研究进展。简要介绍了动力学不稳定性理论，包括它的预测和局限性。主要的重点是在（i）对和（ii）电子-核子等离子体的数值实验。主要结果如下：（i）确认了三维非磁化相对论等离子体中激波演化是由于轻子-韦伯不稳定性或离子-韦伯不稳定性引起的;（ii）对上游磁化强度的敏感依赖性;（iii）粒子动力学对上游磁倾角$\thetabn$的敏感依赖性，其中$\thetabn>34^\circ$的粒子不能向上游逃逸，（iv）超相对论激波中的粒子很难翻转激波并向上游逃逸;它们可能在激波斜坡周围振荡很长一段时间，可以说是“在激波斜坡上冲浪”，从而被一种SDA加速;（v）这些粒子在下游分布上形成幂律尾;指出了它们的局限性;（vi）最近发展的方法允许计算下游高能粒子发射的辐射谱;（vii）韦伯产生的下游磁场形成大振幅的涡流，这些涡流可以被下游气流平流输送到离激波很远的地方，并可能有助于扩大强场区域;（viii）如果包括宇宙射线，钟状模式可以在短波长处产生上游磁湍流，并且通过扩散再耦合，也可以在几乎平行的磁场冲击中产生长波长的上游磁湍流;（ix）这种大振幅波的平流应引起准-平行冲击和喷射下游的大振幅磁场涡流，在那里它们有助于湍流和维持大磁场的扩展区域。
2011-06-18 astro-ph.HE physics.space-ph
Primordial Weibel instability
我们研究了宇宙后暴胀时代的矢量不稳定性的发生，作为原始磁场放大的机制。我们假设在暴胀过程中存在一个与引力任意耦合的带电旁观者标量场，它处于真空德西特态。引力粒子的产生发生在从暴胀到随后的再加热阶段的过渡阶段，因此真空场态成为一个受激的多粒子态。因此，这种状态可以被描述为一个真正的流体，我们建立了流体动力学框架，使用相对论流体的二阶理论与弛豫时间处方的碰撞积分。在再加热（辐射主导型时代）期间，由于宇宙的高温状态和消失的标量曲率，流体可以被视为共形流体。从暴胀到有效辐射主导的膨胀的快速转变引起的大的量子涨落成为统计涨落，从而在任何有限域中产生电荷过剩和各向异性压力。每个尺度的效应的精确大小由平均域的大小和与曲率的耦合决定。我们看看域是大于地平线在重新加热的开始，但远小于我们自己的视野，并表明，在有限的一部分，他们的各向异性和电荷过剩提供了合适的条件，韦伯不稳定。此外，如果再加热的持续时间短于流体的弛豫时间，则这种不稳定性可以补偿或甚至克服原始磁场的共形稀释。我们表明，非平凡的拓扑结构的磁场编码在其磁螺旋度也被放大，如果存在。
2022-01-19 astro-ph.HE hep-ph
On electromagnetic instabilities at ultra-relativistic shock waves
本文讨论了相对论激波前兆通过微观不稳定性产生磁场的问题。上游等离子体的磁化水平是一个关键参数，特别是因为冲击前兆的长度尺度受到背景磁场中加速粒子的拉莫尔旋转和冲击波速度的限制。本文详细讨论和计算了由加速粒子和反射粒子布居所引起的下列束等离子体不稳定性的增长率：对于非磁化激波，韦伯不稳定性和折射不稳定性，以及切伦科夫共振纵模和斜模;对于磁化激波，具有纵向静电模的韦伯不稳定性和共振切伦科夫不稳定性，以及阿尔芬不稳定性，耳语和非凡模式。所有这些不稳定性都是在上游产生的，然后它们被传递到下游。由切伦科夫共振不稳定性激发的模式对于下游介质的磁化具有特别重要的意义，因为作为等离子体本征模式，它们具有比韦伯模式更长的寿命。我们讨论的主要限制波的增长与长度的前体和上游介质的磁化倾斜和平行的冲击波。我们还刻画了获得费米加速的适当条件。我们恢复了最近的粒子模拟的一些结果，并得出结论与天体物理的情况下，特别是脉冲星风和伽马射线暴外部冲击波的一些应用。（节录）
2009-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Kinetic simulation of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. IV. Electron heating
高马赫数无碰撞激波存在于行星系统和超新星遗迹中。电子在这些冲击中被加热到远高于朗肯-于戈尼奥预测的温度。然而，负责电子加热的过程仍然没有得到很好的理解。我们使用一组大尺度的Particle-In-Cell方法模拟了高马赫数区域的非相对论激波，以阐明电子加热过程。这些冲击的物理性质由冲击斜坡处的离子反射定义。反射离子和上游等离子体的进一步相互作用激发静电布尼曼和双流离子-离子韦伯不稳定性。电子通过激波冲浪加速、激波势、磁重联、随机费米散射和激波压缩被加热。主要贡献者是冲击电位。磁场线由于韦伯不稳定性而缠结，这允许由冲击电位加热平行电子。电子加热的约束模型预测的离子-电子温度比在SNR冲击和土星的弓冲击观测值。
2020-08-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dependence of Particle Acceleration Efficiency on Shock Velocity in Weakly Magnetized Electron-Ion Shocks
Columbia University（哥伦比亚大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
研究弱磁化准平行激波中粒子加速，利用二维粒子模拟，发现离子加速效率与激波速度关系及两种主导机制差异，电子加速效率强烈依赖激波速度，还探讨了结果在相关天文现象中的应用。
2026-07-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Field Amplification and Particle Acceleration in Weakly Magnetized Trans-relativistic Electron-ion Shocks
Columbia University（哥伦比亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
研究弱磁化跨相对论电子-离子冲击中磁场放大与粒子加速机制，发现不同不稳定性主导下非热离子和电子的加速效率及能量标度差异。
2026-02-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonthermal Electron Acceleration at Collisionless Quasi-perpendicular Shocks
冲击波在无碰撞的日光层和天体物理等离子体中的传播已经被广泛研究了几十年。一个主要的动机是了解冲击时的非热粒子加速。虽然扩散激波加速（DSA）理论长期以来一直是宇宙射线在激波加速的标准，粒子加速的等离子体物理理解仍然难以捉摸。本文综述了近几年来在准垂直冲击下电子非热加速机制的研究进展。本评论中的讨论仅限于以下三个具体主题。第一种是随机冲击漂移加速（SSDA），这是一种相对较新的电子注入DSA的机制。本文将讨论其基本机制、相关的现场观测和动力学模拟结果，以及它与DSA的联系。其次，我们讨论了与年轻超新星遗迹（SNRs）有关的高马赫数激波的激波冲浪加速（SSA）。虽然一维假设下的原始建议是不现实的，SSA现在已被证明是有效的一个完全三维的动力学模拟。最后，我们讨论了目前的理解磁化韦伯主导的冲击。激波结构内自生电流片的自发磁重联是韦伯产生的强磁湍流的有趣结果。我们认为，高马赫数冲击与阿尔芬和声音马赫数超过20-40将可能表现为韦伯主导的冲击。尽管最近有一些有趣的发现，SSDA，SSA，和磁重联的电子加速在无碰撞冲击的相对作用，以及如何占主导地位的粒子加速机制的变化取决于冲击参数仍然有待回答。
2022-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Temperature-dependent Saturation of Weibel-type Instabilities in Counter-streaming Plasmas
我们提出了第一个2X2 V连续Vlasov-Maxwell模拟的互穿，非磁化等离子体，研究两个流，斜，和双折射模式之间的竞争在弱相对论制度。我们发现，后非线性饱和的最快增长的双流和斜模式，有效的温度各向异性，驱动电流丝形成通过长期的韦伯不稳定性，有很强的依赖于逆流等离子体的内部温度。有效的温度各向异性是显着减少在较冷的等离子体比在较热的，导致数量级较低的磁化较冷的等离子体。韦伯型不稳定性的能量转换效率对内部束流温度的强烈依赖关系，对确定它们对许多天体物理和实验室等离子体观测到的磁化的贡献具有影响。
2019-02-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Interstellar Turbulent Magnetic Field Generation by Plasma Instabilities
在星际介质的典型条件下，估计了由韦伯型等离子体不稳定性产生的最大磁场强度。相关的动力学色散关系进行评估参数研究麦克斯韦和超热粒子分布表明，可以产生微高斯磁场。结果表明，取决于流速和等离子体温度，无论是纵向或横向的不稳定性将占主导地位。在存在环境磁场的情况下，典型地抑制了双流不稳定性，而保留了经典的韦伯不稳定性。
2013-06-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle trajectories in Weibel filaments: influence of external field obliquity and chaos
当两个无碰撞的等离子体壳层碰撞时，它们相互穿透，并且对于某些碰撞参数值，重叠区域可能会使韦伯不稳定。这种不稳定性会产生磁丝，磁丝在饱和时，如果要形成韦伯激波，就必须阻挡进入的气流。在最近的一篇论文中[J. Plasma Phys.（2016），第82卷，905820403]，发现在细丝中实施进入粒子轨迹的玩具模型，如果细丝与磁场对准，则足够强的外部磁场$\mathbf{B}_0$可以防止细丝阻塞流动。将磁丝中的场的峰值表示为$B_f$，如果是$α=B_0/B_f > 1/2$，则所有测试粒子流过磁丝。这里，该结果被扩展到倾斜外部场$B_0$与流动成角度$θ$的情况。数值计算的结果是简单的$α> κ(θ)/\cosθ$，其中$κ(θ)$是阶数单位的。值得注意的是，测试粒子表现出混沌轨迹。
2020-01-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Heating in a Relativistic, Weibel-Unstable Plasma
采用粒子模拟方法，对两束初始未磁化的相对论逆流均匀离子-电子等离子体束的动力学过程进行了二维数值模拟。结果表明，电流细丝，这是由于韦伯不稳定性的形式，发展一个大规模的纵向电场的方向相反的电流所携带的细丝的理论预测。电流丝中快速移动的离子由于该纵向电场而减速。相同的纵向电场，这是部分感应和部分静电，被确定为电流丝中的电子加速的主要来源。横向电场虽然大于纵向电场，但在加热电子方面所起的作用较小，这与先前的权利要求相反。研究发现，在一维中，电子被强烈磁化，并被\textit{not}加速超过其初始动能。相反，电子的加热通过灯丝的弯曲和破裂而增强，这释放了否则将被捕获在单个灯丝内的电子，并且因此根据楞次定律经由感应减缓了韦伯不稳定性的发展（即，磁场增长）。在2D模拟中，电子被加热到离子初始动能的大约四分之一。最大磁能约为4%，在模拟结束时衰减到不到1%。大部分电子的加热发生在纵向电场仍在增长时，而只有一小部分加热是随后的磁场衰减的结果。离子被发现逐渐减速，直到模拟结束时，他们保留的残余各向异性小于10%。
2015-01-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulation of relativistic shocks and associated radiation
使用我们的新的3-D相对论电磁粒子（REMP）与MPI并行代码，我们研究了长期粒子加速与相对论电子-正电子喷流在未磁化的环境电子-正电子等离子体中传播。我们还进行了模拟与电子离子射流。为了研究电子-正电子喷流及其粒子加速机制的韦伯不稳定性的完整非线性阶段，使用比我们以前的模拟长得多的模拟系统进行模拟。冷喷流电子热化和周围的电子被加速在这两种情况下产生的冲击。环境电子的加速导致对等离子体的最大环境电子密度比原始值大三倍。在射流激波中的弓形激波后面产生强电磁场。这些场可能导致与时间相关的余辉发射。我们计算了电子在均匀平行磁场中传播的辐射，以验证该技术。我们还使用新技术来计算电子发射的基础上模拟与一个小系统的两种不同情况下的洛伦兹因子（15和100）。我们得到的光谱是一致的，从电子在湍流磁场与红噪声传播。这种湍流磁场类似于在韦伯不稳定性的早期非线性阶段产生的磁场。
2009-12-08 astro-ph.HE
Radiation from relativistic shocks with turbulent magnetic fields
使用我们的新的3-D相对论电磁粒子（REMP）与MPI并行代码，我们研究了长期粒子加速与相对论电子-正电子喷流在未磁化的环境电子-正电子等离子体中传播。为了研究韦伯不稳定性及其粒子加速机制的完整非线性阶段，使用比我们以前的模拟长得多的模拟系统进行模拟。冷喷流电子被热化，周围的电子在由此产生的冲击中被加速。环境电子的加速导致最大环境电子密度比原始值大三倍。在射流激波中的弓形激波后面产生强电磁场。这些场可能导致与时间相关的余辉发射。我们计算了电子在均匀平行磁场中传播的辐射，以验证该技术。我们还使用新技术来计算电子的发射，基于一个小系统的模拟。我们得到的光谱是一致的，从电子在湍流磁场与红噪声传播。这种湍流磁场类似于在韦伯不稳定性的早期非线性阶段产生的磁场。在一个较大的系统中，一个充分发展的激波会产生一个抖动/同步加速器光谱。
2011-01-24 astro-ph.HE
Physics of collisionless shocks - theory and simulation
无碰撞冲击发生在物理学的各个领域。在空间和天体物理学的背景下，它们已经被研究了几十年。然而，对冲击波的形成和粒子加速的彻底理解仍然缺失。无碰撞冲击可分为电磁冲击和静电冲击。电磁冲击主要在天体物理环境中起重要作用，它们由韦伯不稳定性或定向不稳定性介导。在这种冲击中，带电粒子通过扩散冲击加速获得能量。静电冲击的特征在于强静电场，这导致电子捕获。离子被静电势的反射加速。冲击波的形成和粒子加速将在理论和模拟中讨论。
2015-09-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Plasma instabilities as a result of charge exchange in the downstream region of supernova remnant shocks
超新星遗迹（SNRs）的H-α辐射意味着星周介质中存在中性氢。一些穿过激波的中性粒子通过电荷交换过程被电离，在激波下游形成冷离子束。我们进行线性分析之间的冷束和热下游等离子体的无碰撞等离子体不稳定性。我们发现，在典型的信噪比条件下，无论是共振不稳定性或韦伯不稳定性是最不稳定的。这种机制可以将磁场放大到100微G以上，并改变激波结构。因此，除了广泛讨论的贝尔机制外，射电频谱和大磁场也可以得到解释。
2009-08-24 astro-ph.HE
Kinetic simulations of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. II. Influence of shock-surfing acceleration on downstream electron spectra
我们探讨电子预加速在高马赫数非相对论性垂直冲击，例如，年轻的超新星遗迹，这是通过扩散激波加速进一步加速到非常高能量的先决条件。使用完全动力学的粒子在细胞中的冲击和电子动力学模拟，我们调查的冲击冲浪加速度在冲击脚的冲击下游的电子的非热人口的影响。激波冲浪加速之后是激波斜坡处的进一步加速，在那里韦伯不稳定性产生一种二阶费米加速。这两个过程的结合导致形成一个非热电子人口，但冲击冲浪加速的重要性变得较小的离子与电子的质量比在模拟中。我们讨论了由此产生的电子光谱和我们的结果与真实的离子-电子质量比和完全三维行为的系统的物理学的相关性。
2019-09-11 astro-ph.HE
Electromagnetic field generation in the downstream of electrostatic shocks due to electron trapping
在静电冲击中发现了一种新的磁场产生机制，它可以在时间尺度$ \tilde \, 10^4 \, ω_{pe}^{-1}$上产生磁能密度高达流动能密度的0.01的场。在冲击波形成过程中的电子捕获在分布函数中产生了强烈的温度各向异性，引起了纯韦伯不稳定性。产生的磁场被很好地限制在静电冲击的下游区域。冲击波形成过程没有修改和负责离子加速，目前在激光等离子体实验室实验中探测的冲击波前的功能，保持。然而，如此强的磁场决定了下游的粒子轨迹，并有可能改变无碰撞激波的特征。
2014-08-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stimulated-emission based model of fast radio bursts
快速射电暴（FRB）是一种明亮的、持续时间短的射电瞬变现象，具有很高的亮度温度，意味着高度相干的发射。我们认为FRB是由电子束与周围等离子体相互作用的自聚焦引起的，该等离子体正好超出中子星的光柱半径。轻圆柱半径处的磁场相对较高，可以容纳年轻的Crab类系统和老的毫秒级系统，以解决FRB的不同环境。在第一阶段，强脉冲束穿过背景等离子体引起不稳定性，使得局部布尼曼型空穴中的捕获粒子饱和局部场。然后，由于双流不稳定性产生的圆形电场，导致光束在横向方向上的韦伯不稳定性，从而使光束径向自聚焦。最后，由于等离子体团不稳定性，韦伯不稳定性的非线性饱和导致孤子的自调制形成。共振孤立波是相对论粒子自激振荡的呼吸子型孤子。非线性色散和孤立子的解析解表明，在电流片附近，由于感应局部电场的自激振荡，相对论聚束被类速调管结构加速/放大。增强的相干射电辐射通过一个窄锥传播，由于径向电场和磁箍缩而具有强聚焦。孤子的非线性演化和受激发射与Buneman不稳定性有关，并研究了FRB中存在纳秒脉冲的可能性。
2020-03-10 astro-ph.HE
Magnetized Current Filaments as a Source of Circularly Polarized Light
我们表明，韦伯或电流不稳定性可以导致圆偏振辐射的发射。使用粒子在细胞（PIC）模拟和辐射后处理的数值算法，我们证明了圆极化的水平增加与初始等离子体磁化强度，饱和在~13%时的磁化强度，由磁能密度的比例，以电子动能密度，大于0.05。此外，我们表明，这种效果需要一个离子电子质量比大于1。这些研究结果，这也可以在目前可用的实验室条件下进行测试，表明最近观察到的圆极化的伽马射线暴余辉可能是由于存在磁化电流丝驱动的韦伯或电流偏转不稳定性。
2018-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The impact of kinetic effects on the properties of relativistic electron-positron shocks
我们评估的非热冲击加速粒子的磁流体动力学（MHD）相对论冲击跳跃条件的影响。绝热常数直接从第一原理粒子模拟数据计算，使半动力学方法，以改善标准流体模型，并允许识别的关键参数，定义的冲击结构。我们发现，不断变化的上游参数有一个更强的影响比由于非热粒子的修正。我们发现，上游散装速度的减少产生的偏差从标准的MHD模型高达10%。此外，我们得到了一个定量定义的冲击过渡区从我们的分析。对于韦伯介导的冲击，包括一个磁场中的MHD守恒方程的解决第一次。
2012-10-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
