Shear Acceleration in Expanding Flows
剪切流自然会发生在天体物理环境和连续非热费米型粒子加速的潜在场所。在这里，我们调查的效率扩大相对论流出，以促进加速高能带电粒子到更高的能量。为此，逐步剪切加速度系数推导的基础上的分析处理。结果适用于活动星系核的相对论性喷流的背景下。对各种锥形流剖面（即，幂律，高斯，费米-狄拉克），并与相关的辐射和非辐射损失时间尺度进行比较。结果表明，相对论剪切流能够将宇宙射线提升到极端能量。另一方面，有效的电子加速需要弱磁场，并且因此可能伴随着粒子加速的延迟开始，并且影响总体射流外观（例如，核心、脊线和边缘增亮）。
2016-11-14 astro-ph.HE
A relativistic mixing-layer model for jets in low-luminosity radio galaxies
我们提出了一个分析模型的喷流在Fanaroff和Riley I类（FRI）射电星系，在最初的层流，相对论性流被包围的剪切层。我们应用适当的守恒定律来约束喷流参数，从观察到无线电发射突然变亮的模型开始。我们假设，在那里，射流充满了层流，并且从该点向外，与周围环境保持压力平衡。卷吸不断地将新的材料注入射流中并形成剪切层，该剪切层包含来自环境和层流核心的材料。剪切层随着距离迅速膨胀，直到最后核心消失，所有的材料都混合到剪切层中。超过这一点，剪切层扩展成锥形，并平稳减速。我们将我们的模型应用到观测良好的FRI源3C31，并表明存在自洽的解决方案。导出了射流功率、质量通量和卷吸率随离核距离的变化关系。预测的整体速度随距离的变化在外部的射流是在很好的协议与模型拟合VLA观测。我们对层状核心形状的预测可以用更高分辨率的成像进行测试。
2009-05-15 astro-ph.CO astro-ph.HE
Particle Acceleration in Mildly Relativistic Shearing Flows: the Interplay of Systematic and Stochastic Effects, and the Origin of the Extended High-energy Emission in AGN Jets
活动星系核（AGN）大尺度喷流中扩展X射线辐射的起源对传统的加速和辐射模型提出了挑战。虽然电子同步辐射被认为是最可行的辐射机制，但连续大尺度X射线结构的形成仍然是一个悬而未决的问题。由于天体物理射流预计将表现出一些湍流和剪切运动，我们在这里调查的剪切流的潜力，以促进延长粒子的加速，并评估其对所得粒子分布的影响。我们的处理结合了系统剪切和随机二阶费米效应。我们发现，对于适用于大规模活动星系核喷流的典型参数，随机二阶费米加速，它总是伴随着剪切粒子加速，可以发挥重要的作用，在促进整个过程中的粒子粒子加速。我们研究了随时间变化的粒子分布的存在下，二阶费米加速，剪切加速，和同步加速器的损失，使用一个简单的福克-普朗克方法，并提供插图可能出现的复杂的（多组分）粒子能量分布与不同的光谱分支。我们提出了适用于大规模活动星系核喷流的典型参数的例子，表明了理解扩展X射线发射和超高能宇宙射线起源的基本过程的相关性。
2017-06-04 astro-ph.HE
Emitting Electron Spectra and Acceleration Processes in the Jet of PKS 0447-439
在单区同步自康普顿（SSC）模型框架下，通过模拟PKS 0447 $-$ 439喷流的光谱能量分布（SED），研究了喷流中电子的能量分布（EEDs）和相应的加速过程，并估算了喷流的红移.假设在不同加速情景下形成三个EED：幂律指数截止电火工品（冲击加速方案或随机加速方案中EED接近平衡的情况），对数抛物线（LP）EED（随机加速度场景和加速度主导）和破幂律（BPL）EED（无加速情况），然后计算了同步加速器和SSC的相应通量。该模型被应用到PKS 0447-439和建模的SED进行比较，观察到的SED这个对象，通过使用马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法。计算结果表明，PLC模型不能很好地拟合观测到的SED，而LP和BPL模型则能很好地拟合观测到的SED。结果表明，PKS 0447-439的发射区可能存在随机加速度过程，且电火花放电远离平衡（加速度占主导地位）或无加速度过程（发射区）。在我们的拟合中还估计了PKS 0447-439的红移，并估计了LP情况下的$z=0.16\pm0.05$和BPL情况下的$z=0.17\pm0.04$。
2013-09-10 astro-ph.CO astro-ph.HE
Particle Acceleration in Magnetized Shear-Driven Turbulence
University of Michigan（密歇根大学）；University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Chicago（芝加哥大学）；University of California, Santa Barbara（加利福尼亚大学圣巴巴拉分校）
研究揭示了磁化剪切驱动湍流通过湍流电场系统性扭曲gyro-orbits实现粒子加速，产生非热尾部和pitch角各向异性，为剪切流中粒子能量化提供通用模型。
2026-09-09 astro-ph.HE
Radiation from Particles Accelerated in Relativistic Jet Shocks and Shear-flows
本文研究了非磁化相对论性喷流等离子体传播到非磁化环境等离子体中的激波和剪切流引起的粒子加速和发射。射流激波中产生的强电磁磁场是通过扰动（韦伯）不稳定性产生的。冲击场强度和结构取决于等离子体成分（（$e^{\pm}$或$e^-$ - $p^+$等离子体）和洛伦兹因子。在喷流与周围等离子体的速度剪切中，通过动力学Kelvin-Helmholtz不稳定性（kKHI）产生了强的交流（$e^{\pm}$等离子体）或直流（$e^-$ - $p^+$等离子体）磁场，磁场结构也依赖于喷流洛伦兹因子。我们自洽地计算了在冲击波产生的磁场中加速的电子的辐射。光谱取决于射流的初始洛伦兹因子和温度，通过所产生的粒子加速和磁场产生。我们正在进行的“全球”喷流模拟包含冲击和速度剪切，将为我们提供计算和模拟复杂的时间演化和/或从伽马射线暴，活动星系核喷流和超新星遗迹观察到的光谱结构的能力。
2014-12-22 astro-ph.HE
Reconnection-driven particle acceleration in relativistic shear flows
剪切流中的粒子散射被用来解释相对论性天体物理喷流边界的非热发射。然而，粒子注入的物理学，即，允许热粒子参与剪切驱动加速的机制仍然未知。利用粒子模拟方法，研究了相对论性磁主导的电子-正电子喷流与弱磁化的电子-离子环境等离子体之间的速度剪切所导致的Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性的发展.我们发现，在其非线性阶段，KH涡产生动力学尺度的重联层，有效地激励射流粒子，从而提供了一个第一原理机制，粒子注入到剪切驱动的加速。我们的工作支持喷流发射的脊柱鞘模型-快速的核心/脊柱被较慢的鞘包围-并且可以解释相对论喷流边界处的无线电发射电子的起源。
2020-09-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Hybrid Simulations of Supersonic Shear Flows: I) Particle Acceleration
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；University of Chicago（芝加哥大学）
本文通过二维混合模拟研究跨亚声速-超声速区间的衰减剪切流，揭示不同流速下的不稳定性与耗散特征，分析粒子加速等过程的马赫数依赖，指出其对天体物理介质湍流研究的价值。
2025-11-13 astro-ph.HE
Ultrahigh-energy Cosmic-ray Nuclei from Black Hole Jets: Recycling Galactic Cosmic Rays through Shear Acceleration
我们进行蒙特卡罗模拟的相对论剪切加速度致力于一个喷茧系统的活动星系核。在晕中，一定比例的银河系宇宙射线被夹带，足够高的能量粒子可以被注入到再加速过程中，并进一步加速到100 EeV。我们表明，剪切再加速机制导致逃逸宇宙射线，$dL_E/dE\propto E^{-1}-E^0$，不同于传统的$E^{-2}$频谱硬频谱。超高能核的超太阳丰度是由于TeV-PeV能量的注入而实现的。结果表明，我们的模型可以合理地解释最高能谱和质量组成，与各向异性数据没有矛盾。
2018-01-17 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Particle acceleration in shearing flows: the case for large-scale jets
对千秒差距尺度喷流的X射线观测表明，持续的非热辐射很可能来自同步加速器。这需要电子沿着射流的分布式加速达到接近PeV的能量。其加速机制尚不清楚。剪切加速度是一个很有前途的候选人，因为速度剪切分层是一个射流的准直流的自然结果。我们研究的剪切加速的细节，通过求解稳态福克-普朗克型方程，并提供一个简单的通用解决方案的范围内的磁流体动力学湍流幂律谱的trans-relativistic射流。一般情况下，加速粒子数是一个幂律谱与指数状截止，其中的幂律指数是由湍流谱和逃逸和加速粒子的平衡。采用一个简单的线性下降的速度轮廓在大尺度喷流的边界，我们发现，多波长的X射线喷流，如半人马座A和3C 273的光谱能量分布，可以复制电子加速到$\sim$ PeV。在kpc尺度的喷流中，质子可能被加速到$\sim$ EeV，这支持了大尺度喷流是剪切加速框架内的超高能量宇宙射线源的强有力候选者的假设。
2021-05-18 astro-ph.GA astro-ph.HE
Radiation from accelerated particles in relativistic jets with shocks, shear-flow, and reconnection
本文研究了非磁化相对论性喷流在非磁化等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。尾喷流激波中产生的强磁场导致电子的横向偏转和加速。我们自洽地计算了在湍流磁场中加速的电子的辐射。我们发现，合成光谱依赖于体洛伦兹因子的喷流，喷流的温度，和强度的磁场中产生的冲击。我们还开始研究电子在由动力剪切（开尔文-亥姆霍兹）不稳定性产生的强磁场中的加速。我们计算的光谱应该导致更好地理解复杂的时间演化和/或光谱结构从伽马射线暴，相对论喷流，超新星遗迹。
2013-03-11 astro-ph.HE
Magnetization of Relativistic Current-Carrying Jets with Radial Velocity Shear
从吸积黑洞附近发射的天体物理喷流以喷流粒子和电磁通量的大量动能的形式带走了大量的能量。在这里，我们考虑一个简单的分析模型，相对论射流在较大的距离，从他们的发射场，假设一个圆柱形的轴对称几何形状的径向速度剪切，和纯环形磁场。我们认为，只要射流等离子体是在磁流体静力学平衡，这种外流往往是颗粒为主，即电磁粒子能通量的比例，集成在射流横截面积，通常低于单位，$σ< 1$。同时，对于特定的磁和径向速度分布，对于射流半径的某些范围，即局部射流等离子体参数$β_{pl} < 1$，磁压力仍然可以支配粒子压力，并且这在这样的系统中的粒子加速和高能发射的产生的背景下可能是相关的。只有在气体压力的极端梯度或不连续性以及明显抑制的速度剪切的情况下，射流磁化参数才能被提高到适度值$σ\lesssim \mathcal{O}(10)$。这样的配置，其中包括一个狭窄的，未磁化的射流脊柱周围的延伸，无力层，可能需要一个额外的极向场分量，以稳定他们对电流驱动的振荡，但即使这将不会大幅提高其$σ$参数。
2022-03-29 astro-ph.HE
A Simulation Study of Ultra-relativistic Jets -- III. Particle Acceleration at FR-II Jets
利用相对论流体动力学（RHD）模拟方法，对超高能宇宙线（UHECR）在FR-II射电星系中的输运、散射和能量变化进行了蒙特卡罗模拟.为此，我们采用物理动机模型的磁场和粒子散射。通过区分扩散激波加速（DSA）、湍流剪切加速（TSA）和相对论剪切加速（RSA）的主要加速过程，我们发现在射流-脊流和包含大量激波和湍流的回流中，$E\lesssim1$ EeV的CR主要通过DSA获得能量。在它们达到$E\gtrsim$几个EeV之后，CR主要通过在射流回流界面处的RSA被激励，达到远高于$10^{20}$ eV的能量。TSA的贡献相对较小。逃逸粒子的时间渐近能谱主要受喷流功率的控制，在更强大的喷流中转移到更高的能量。UHECR谱符合双幂律形式，其断裂能$E_{\rm break}$对应于尺寸限制的最大能量。在$E_{\rm break}$以下，它接近于$d\mathcal{N}/dE\propto E^{-0.5}$，而在$E_{\rm break}$以上，它遵循$d\mathcal{N}/dE\propto E^{-2.6}$，比指数更缓慢地下降。高能量端的幂律斜率由穿过射流回流界面的非渐进剪切加速度的能量提升和细长茧的限制决定。我们的结论是，巨大的射电星系可能是观测到的UHECRs的主要贡献者。
2023-01-23 astro-ph.HE
Shear Particle Acceleration in Structured Gamma-Ray Burst Jets: IV. Thermal {\em vs.} Non-thermal Emission of the Jet Cocoon
Guangxi University（广西大学）；Guizhou Normal University（贵州师范大学）；National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences（中国科学院国家天文台）
以GRB 090902B为例，研究在结构喷流框架下，弱散射区中混合喷流-茧区域产生的准热电子分布如何解释观测到的热成分，并通过与强散射区的对比揭示GRB谱多样性的起源。
2026-05-24 astro-ph.HE
Particle acceleration in shearing flows: the self-generation of turbulent spine-sheath structures in relativistic MHD jet simulations
对几千秒差距尺度的河外喷流的X射线观测支持同步加速器起源。发射电子的短冷却时间需要电子的分布式加速到亚PeV能量。在以前的论文中，我们发现，这可以自洽地解释的剪切加速模型，粒子加速产生幂律谱与谱指数主要由速度剖面和湍流谱。在本文中，我们进行了三维相对论磁流体动力学模拟研究的脊柱鞘结构的形成和发展的相对论性喷流传播到静态茧湍流。我们探索不同的脊柱速度和磁场配置文件的值被选择，以匹配典型的Fanaroff-Riley I/II型射流。我们发现，在所有的情况下，鞘产生的界面上的脊柱和茧主要是由于开尔文-亥姆霍兹不稳定性。鞘层中大尺度速度剖面接近线性。湍流发展的脊柱和鞘，与湍流速度谱符合柯尔莫哥洛夫缩放。剪切粒子加速的影响进行了探讨，重点是粒子的光谱指数。
2022-12-06 astro-ph.HE
Inverse Compton Emission and Cooling of Relativistic Particles Accelerated at Shear Boundary Layers in Relativistic Jets
本文通过粒子网格模拟研究AGN与GRBs喷流剪切边界层中的粒子加速及逆康普顿冷却，发现强各向异性康普顿辐射或可解释多普勒因子危机。
2023-11-08 astro-ph.HE
Jet collimation and acceleration in the giant radio galaxy NGC 315
利用多频甚长基线阵列观测和高灵敏度阵列和甚大阵列的数据，研究了附近巨型射电星系NGC 315中喷流的准直和加速。我们发现，射流的几何形状从半抛物线形状过渡到一个圆锥/双曲线形状的距离为$\approx10^5$引力半径。我们约束频率依赖的核心位置，从我们找到的喷气基地。抛物区域的喷流准直轮廓与最外层极向磁场线的稳态轴对称无力电动力学解吻合得很好，该极向磁场线锚定在赤道面上的黑洞事件视界上，类似于附近的射电星系M87和NGC 6251。从喷流和反喷流之间亮度的不对称性导出的速度场显示出在发生喷流准直的区域中逐渐加速到体积洛伦兹因子$Γ\sim 3$，从而证实了喷流加速和准直区的存在。这些结果表明，射流被周围介质的压力准直，并通过将坡印亭通量转换为动能通量来加速。我们发现在一个有限的距离范围内，我们的数据的角分辨率是足够的解决喷流横向结构的边缘增亮。这表明，要么射流具有快速的内部和缓慢的外部层的分层速度场或粒子加速过程是更有效的外层由于与环境的相互作用在pc尺度上。
2020-12-28 astro-ph.HE
GRMHD Simulations and Modeling for Jet Formation and Acceleration Region in AGNs
相对论射流是具有相对论速度的准直等离子体流出。涉及相对论喷流的天体是一个系统，包括一个致密物体，如黑洞，被旋转的吸积流包围，在中心致密物体附近产生相对论喷流。解释相对论喷流起源的最被接受的模型涉及磁流体动力学（MHD）过程。在过去的几十年里，许多广义相对论磁流体动力学（GRMHD）程序已经被开发出来，并被应用于模拟各种条件下的相对论性喷流形成。这篇简短的评论概述了GRMHD模拟在产生相对论喷流及其观测建模方面的最新进展。
2022-01-29 astro-ph.HE
Implications of pc and kpc jet asymmetry to the cosmic ray acceleration
我们探讨了相对论外流和千秒差距尺度喷流之间的方向不对称性在宇宙射线加速中的作用。为此，我们使用两个强大的，附近的活动星系核（AGN）。与通常的活动星系核相比，这些射电星系是非典型的，因为它们包含环状特征而不是热点。我们的VLBI无线电数据揭示了它们的小型和大型喷流之间的实质性偏差。考虑到我们已经获得的关于活动星系核本身（VLA和VLBI射电数据在18厘米）和他们的集群（X射线观测）的整体信息，我们的研究支持目前的想法，强大的射电galvanies（无线电安静和无线电大声）的宇宙射线的来源，以及他们的能力accelerarate后者超高能量。
2012-09-04 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Baryon Loading Efficiency and Particle Acceleration Efficiency of Relativistic Jets: Cases For Low Luminosity BL Lacs
由超大质量黑洞发射的相对论喷流，即所谓的活动星系核（AGN），被称为宇宙中最具能量的粒子加速器。然而，从吸积流到喷注上的重子装载效率和它们的粒子加速效率一直被神秘所笼罩。利用最新的数据集，采用单区静态同步自康普顿（SSC）模型，对13 TeV γ射线探测到的高频峰值BL Lac（HBLs）的静态谱进行了多波长谱分析。我们确定的最小，冷却中断，和最大的电子洛伦兹因子扩散冲击加速（DSA）理论。我们发现HBLs具有$P_B/P_e\sim6.3\times10^{-3}$和辐射效率$ε_{\rm rad,jet}\sim6.7\times10^{-4}$，其中$P_B$和$P_e$分别是坡印亭和电子功率。假设每个质子有10个轻子，喷流功率与黑洞质量的关系为$P_{\rm jet}/L_{\rm Edd}\sim0.18$，其中$P_{\rm jet}$和$L_{\rm Edd}$分别是喷流功率和爱丁顿光度。在我们的模型假设下，我们进一步发现HBL具有$η_{\rm jet}\sim1.5$的射流产生效率和$ξ_{\rm jet}\gtrsim5\times10^{-2}$的质量负载效率。我们还调查了在耀变体区的粒子加速效率，包括最新的雨燕/BAT数据。我们的样品普遍具有$η_g\sim10^{4.5}$的粒子加速效率，这对于将粒子加速到超高能量宇宙射线（UHECR）区域是低效的。这意味…
2016-06-27 astro-ph.HE
Studying X-ray spectra from large-scale jets of FR II radio galaxies: application of shear particle acceleration
本研究将剪切粒子加速模型应用于FR II射电星系大尺度喷流的24个X射线节点，通过多波段能谱建模验证了该机制的适用性，约束了喷流参数并探讨了其作为UHECR加速源的潜力。
2023-08-22 astro-ph.HE
Particles in Relativistic MHD Jets. I. Role of Jet Dynamics in Particle Acceleration
本研究通过三维相对论磁流体力学模拟结合拉格朗日粒子注入，对比稳态、可变、进动三种喷流喷嘴的动力学差异，发现激波数量比强度更影响粒子加速，进动喷流加速效率最高，裹挟物质也能高效加速粒子。
2023-07-14 astro-ph.GA astro-ph.HE
Horizon-Scale Lepton Acceleration in Jets: Explaining the Compact Radio Emission in M87
现在已经很清楚，巨大椭圆星系M87中的射电喷流必须在非常靠近黑洞的地方开启。这意味着轻子在喷流内的有效加速，其尺度远小于通常用来解释喷流同步辐射的典型耗散事件所能达到的尺度。在这里，我们表明，停滞面，物质之间的分界线，回落到黑洞和物质，是加速向外形成喷流，是一个自然的网站对形成和粒子加速。这是通过一个反康普顿对灾难驱动的非屏蔽电场内的电荷匮乏的区域内的停滞表面和大幅放大后的间隙级联。对于M87中喷流性质的典型估计，我们发现预测的相对论轻子密度与最近M87高频射电观测所需的密度之间存在很好的定量一致性。这种机制无法用相对论轻子充分填充人马座A* 的假定喷流，这可以解释银河系中心缺乏明显的射电喷流。最后，这个过程意味着动力学喷流功率和耀变体的伽玛射线光度之间的关系，在间隙后级联产生。
2015-06-15 astro-ph.HE
Dissipation and particle acceleration in astrophysical jets with velocity and magnetic shear: Interaction of Kelvin-Helmholtz and Drift-Kink Instabilities
通过二维PIC模拟研究相对论对等离子体中KH与DK不稳定性的耦合，发现其破坏猫眼涡旋、增强耗散并驱动高效非热粒子加速。
2025-01-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A Magnetohydrodynamic Model of The M87 Jet. II. Self-consistent Quad-shock Jet Model for Optical Relativistic Motions and Particle Acceleration
我们描述了一种新的范式，用于理解M87喷气中的相对论运动和粒子加速：磁主导的相对论流，自然产生四个相对论磁流体动力学（MHD）冲击（正向/反向快，慢模式）。我们将这个模型应用于1994 - 1998年Biretta和他的同事用{\em Hubble Space Telescope}发现的一组光学超光速和亚光速运动。该模型的概念包括喷射的{\em单一}相对论坡印亭喷流，它具有一个连贯的螺旋（极向+环向）的磁分量，在显着的耀斑点HST-1。我们能够定量再现组件的自行看到的{\em光学}观测的HST-1与相同的模型，我们以前用来描述在2005 - 2006年的射电VLBI观测类似的功能。这表明，四相对论MHD冲击模型可以普遍适用于经常出现的对超/亚光速结喷射从上游边缘的HST-1复杂的观察到从无线电到光学波长，与前/反向快模MHD冲击，然后负责观察到的移动功能。此外，我们确定了冲击压缩比，磁化程度，和磁性的固有属性，并表明它们是适合调解相对论粒子通过一阶费米过程的扩散冲击加速。我们认为，在坡印廷通量占主导地位的螺旋喷流的相对论MHD冲击可能发挥的作用，在解释观测到的发射和自行在许多活动星系核。
2014-03-14 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Surfatron acceleration of the high energy protons in the relativistic jets
本文描述了在相对论性喷流的不稳定区中产生的喷流框架中，静电波捕获的高能质子的加速，在该区域中激发出螺旋结构。该波具有$\exp(i k_\parallel z +i m_ϕϕ)$的空间非均匀结构。质子可以在螺旋波产生的势阱中被捕获，从而通过一种称为表面加速器的机制经历加速。得到了射流参数的最大能量（$ E_p \simeq 10^{19} eV $）和能谱的表达式。
2023-01-29 astro-ph.GA astro-ph.HE hep-th
Mushroom-instability-driven Magnetic Reconnections in Collisionless Relativistic Jets
本文采用粒子模拟方法研究了具有速度剪切的相对论性无碰撞喷流中的等离子体动力学。在相对论速度的剪切流中，蘑菇不稳定性是一种重要的动力学尺度等离子体不稳定性，它驱动着间歇性的磁重联。我们把这一系列的动力学等离子体现象称为“MI驱动的MR”。随着重联点位置从初始速度剪切面附近向射流中心移动，MI驱动的MR间歇性地发生。因此，由MI驱动的MR加速的高能量电子的数密度在初始速度剪切表面内的区域中随着时间的推移而增加，伴随着MI的磁场的产生和随后的放大。电子的最大洛伦兹因子随射流的初始体积洛伦兹因子的增大而增大。本文还讨论了磁共振驱动磁共振与活动星系核喷注脊中明亮同步辐射的可能关系。
2022-02-20 astro-ph.HE
Effect of magnetic field inclination on black hole jet power and particle acceleration
针对磁场方向对黑洞喷流效率的影响问题，本文首次开展倾斜磁场下克尔黑洞周围无碰撞等离子体的动力学研究，通过三维模拟发现倾斜磁场降低喷流功率但不影响粒子加速效率，揭示弱喷流黑洞仍可为明亮非热辐射源。
2025-08-04 astro-ph.HE
Electron-scale shear instabilities: magnetic field generation and particle acceleration in astrophysical jets
在天体物理喷流中发现的强剪切流区域被证明是重要的耗散区域，在那里剪切流动能通过剪切不稳定性被转换为电场和磁场能量。这些自洽场的出现使剪切流成为辐射发射和粒子加速的重要场所。我们专注于电子尺度的不稳定性，即碰撞，非磁化开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）和大规模的直流磁场产生机制的电子尺度。我们表明，这些过程是重要的候选人，以产生磁场在存在强的速度剪切，这可能自然地起源于活动星系核的高能物质爆发和伽玛射线爆发。我们表明，KHI是强大的剪切流之间的密度跳跃，从而在不同的密度对比度的各种情况下操作。多维粒子在细胞（PIC）模拟的KHI，与OSIRIS进行，揭示了一个强大的和大规模的直流磁场组件，这是没有捕获的标准线性流体理论的出现。该直流分量来自与穿过剪切层的一个流进入另一个流的电子的热膨胀相关联的动力学效应，而离子由于其惯性而保持不受干扰。电子膨胀形成直流电流片，其感生直流磁场。我们的研究结果表明，在KHI开发的电磁能量的大部分存储在直流分量，达到电子时间尺度上的$10^{-3}$的顺序均分的值，并持续时间比质子的时间尺度。粒子散射/加速在这些剪切流不稳定性的自生领域进行了分析。
2014-04-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Jet Collimation and Acceleration in the Flat Spectrum Radio Quasar 1928+738
本研究利用多频甚长基线阵和KaVA观测数据，首次在平谱射电类星体1928+738中发现加速与准直区，证实其范围受黑洞引力控制，喷流准直源于外部介质约束，加速由坡印廷通量能量转化为动能实现。
2024-05-06 astro-ph.HE
Shear Particle Acceleration in Structured Gamma-Ray Burst Jets: III. The Radiation Physics of Bright Prompt Optical Flash
针对伽马射线暴明亮瞬时光学辐射物理的谜题，提出基于结构化喷流混合喷流-星茧（MJC）区域的剪切粒子加速模型，通过电子同步辐射和SSC过程合理解释了GRB 990123等的光学闪及光谱特征，并推断其喷流高度磁化。
2025-08-09 astro-ph.HE
Astrophysical ZeV acceleration in the relativistic jet from an accreting supermassive blackhole
吸积超大质量黑洞是活动星系核（AGN）的中心发动机，它能够激发出极强的Alfven波，其波长（波包）的大小以其块状性为特征。有质动力和尾流场由活动星系核（blazar）喷流中传播的阿尔芬波驱动，并将质子/核加速到超过Zeta电子伏特（ZeV $=10^{21}$ eV）的极端能量。这样的加速是迅速的、局部的，并且不会受到费米加速中包围的多重散射/弯曲的影响，所述多重散射/弯曲导致超过$10^{19}$ eV的过度同步辐射损失。发现ZeV宇宙射线的产生率与观测到的耀变体γ射线光度函数及其时间变化是一致的。
2013-09-02 astro-ph.HE
Espresso Acceleration of Ultra-High-Energy Cosmic Rays up to the Hillas Limit in Relativistic MHD Jets
Espresso是一种新的超高能宇宙射线（UHECR）加速模型，其中超新星遗迹中产生的低能宇宙射线在强大的活动星系核（AGN）的相对论喷流中经历一次再加速，达到能量高达$10^{20}$ eV。为了测试espresso框架，我们通过在超相对论射流的现实3D磁流体动力学（MHD）模拟中传播100，000个粒子，从注入到最高能量的自下而上遵循UHECR加速。我们发现，模拟同意与分析预期的轨迹的个别粒子。我们还量化了CR种子的$\sim 10\%$在能量上获得了$\simΓ^2$的因子，其中$Γ$是射流的有效洛伦兹因子;此外，大约$0.1\%$的粒子经历了两次或更多次发射以实现超过$Γ^2$的增益。粒子通常被加速到射流的希拉斯极限，这表明浓咖啡机制应该在典型的AGN射流中将银河系CR提升到UHECR。最后，我们讨论了如何浓咖啡加速AGN喷流是一致的UHECR光谱和化学成分，也与UHECR到达方向测量的俄歇和望远镜阵列。
2019-09-13 astro-ph.HE
Shear Particle Acceleration in Structured Gamma-Ray Burst Jets: II. Viewing Angle Effect on the Prompt Emission and Application to GRB 170817A
针对结构化喷流的视角效应，研究剪切加速电子辐射，发现同步辐射和SSC辐射峰值波段及视角不敏感性，用模型解释GRB 170817A瞬时谱并提出联合观测验证建议。
2025-02-16 astro-ph.HE
Magnetic and thermal acceleration in extragalactic jets: An application to NGC 315
本文利用二维相对论性磁流体力学模拟并结合 NGC 315 的甚长基线干涉测量约束，发现当热能不低于磁能时，热加速可在秒差距尺度显著延长喷流加速区。
2023-12-11 astro-ph.HE
Linking accretion flow and particle acceleration in jets - II. Self-similar jet models with full relativistic MHD gravitational mass
我们提出了一个新的，半解析的形式主义模型的加速和准直的相对论性射流在引力势。引力能量密度包括动能、热能和电磁质量的贡献。从非常接近黑洞到引力不重要的区域，整个积分过程中的解都接近于自相似。磁力线与非常接近中心物体的条件相联系，最终过度准直，可能导致准直激波。这种准直冲击波可以提供扩散冲击波加速的条件，导致所观察到的电子布居数与幂律能量分布的射流。我们提供的推导，详细的分析的解决方案，并描述的影响的参数上的解决方案的属性，如洛伦兹因子和位置的准直冲击。我们还讨论了偏离自相似性。通过比较新的引力项和以前工作中由非相对论形式得到的引力项，我们证明了它们在非相对论极限下是等价的。这种等效性表明，在这项工作中采取的方法是有效的，并允许我们评论其局限性。
2013-11-21 astro-ph.HE
SS433's jet trace from ALMA imaging and Global Jet Watch spectroscopy: evidence for post-launch particle acceleration
我们提出了一个比较多普勒频移的H-α线发射观测到的全球喷气观测从新发射的喷射喷出物在银河系微类星体SS433的核心与随后的ALMA成像在毫米波长的相同的喷射喷出物。横向分辨的同步辐射和从光谱学对喷流轨迹的预测之间存在显著的相似性：这是一个先验的预测，而不是一个后验的拟合，证实了喷流传播的弹道性质。ALMA旋光仪的mm波长足够短，法拉第旋转可以忽略不计，因此观察到的E矢量方向与投影的局部磁场精确正交。靠近原子核的B场矢量垂直于传播方向。在远离核的地方，与喷流重合的B场矢量反而变得与脊线平行;这发生在喷流火流星预计会彼此膨胀的距离处。在这个位置也观察到了X射线的变化;如果来自膨胀和碰撞的火流星的冲击导致粒子加速，这就有了一个自然的解释。在与射流脊线明显分离的区域中，分数偏振接近同步辐射的理论最大值。
2018-11-02 astro-ph.HE
The TeV emission of 3C273: inverse Compton radiation from shear-accelerated high-energy electrons in the large-scale jet?
INAF – Osservatorio Astronomico di Brera（意大利国家天体物理研究所布里拉天文台）
本文提出3C273的TeV辐射可能源于kpc尺度喷流中经剪切加速的超高能电子的逆康普顿辐射，并同时解释了大尺度喷流节状结构的X射线辐射。
2025-11-06 astro-ph.HE
The stratified two-sided jet of Cygnus A. Acceleration and collimation
相对论喷流的高分辨率甚长基线干涉观测对于约束喷流形成模型的基本参数至关重要。在249 Mpc的距离，天鹅座A是一个独特的目标，这样的研究，是唯一的法那罗夫-莱利II类射电星系，其中详细的亚秒差距尺度的成像的基础上，喷流和反喷流可以获得。在毫米波长下进行观测，可以发现那些在较长波长下出现自吸收的区域，从而可以获得对原子核的非常清晰的观察。我们进行了7毫米全球VLBI观测，实现超高分辨率成像的规模下降到90 $μ$作为。该分辨率对应于仅${\sim}$ 400史瓦西半径的线性标度（对于$M_{\mathrm{BH}}=2.5 \times 10^9 M_{\odot}$）。我们研究了两侧流的主要发射特征的运动学性质，并通过基于像素的分析来探测其横向结构。我们认为，一个快速和一个缓慢的层，具有不同的加速度梯度，存在于流动。加速区域的延伸很大（${\sim} 10^4 R_{\mathrm{S}}$），表明射流是磁驱动的。喷流和反喷流的临边增亮和它们的大张开角（$ϕ_\mathrm{J}{\sim} 10^{\circ}$）强烈地支持脊鞘结构。在加速区中，流动具有抛物线形状（$r\propto z^{0.55\pm 0.07}$）。加速度梯度和准直轮廓与“平衡”射流的预期一致（Lyubarsky 2009），在存在温和的外部压力梯度（$p\propto z^{-k}, k\leq2$）的情…
2015-09-21 astro-ph.HE
Constraining the shear acceleration model for the X-ray emission of large-scale extragalactic jets
强烈的X射线发射的性质，从强大的河外喷流在大（$>1$千秒差距）规模仍有争议。由于缺乏GeV波段的伽马射线发射，引起电子对CMB的逆康普顿散射的方案受到了挑战。另一种方法是假设同步辐射是由一个独特的超高能电子群产生的。在这里，我们提出了一个具体的尝试，应用这种情况下，探索特定的模型，其中超高能电子加速在剪切层周围的射流。我们限制的研究，非相对论性的流动和粒子加速处理的福克-普朗克方程。观测到的低能（无线电、光学）和X射线发射之间的关系促使我们假设，所需的预加速粒子数是由负责加速低频发射电子的冲击提供的。我们将该模型应用于PKS 0637-752和PKS 1136-135，两个最好的研究对象的喷气机的主要节点的排放。对于所采用的基准参数组，射流功率不超过$10^{48}$ erg s $^{-1}$的极限值的条件约束了$10$ $μ$ G以上的磁场，并且指示PKS 0637-752的中等聚束（$δ\simeq 2$）。对于这两种源，如果剪切层中的磁湍流遵循柯尔莫哥洛夫谱（$I(k)\propto k^{-q}$和$q=5/3$），则可以满足电子加速比辐射冷却更快的要求，但在类似玻姆的情况下（$q=1$）不能满足。
2020-12-29 astro-ph.HE
Linking accretion flow and particle acceleration in jets. I. New relativistic magnetohydrodynamical jet solutions including gravity
我们提出了一个新的，近似的方法来模拟重力存在下的相对论性喷流的加速和准直。这种方法在整个计算域中是自相似的，其中重力效应可以忽略不计，并且在通量管内是自相似的。这些解决方案适用于从小区域（例如，靠近吸积盘的内缘）。正如早期的工作所暗示的，气流可以会聚到旋转轴上，潜在地产生准直激波。在这个方法的第一个版本中，我们通过与非相对论性流动类比，推导出引力对相对论性方程的贡献。这种方法捕获了流动等离子体的相对论动力学引力质量，但不是由于内部热能和磁能。一个更复杂的治疗，从基本的广义相对论磁流体动力学方程，目前正在开发。在这里，我们提出了一个初步的探索参数空间，描述的影响模型参数的流动解决方案和准直冲击的位置。这些结果提供了新的，半解析模型的相对论性射流，可以约束附近的条件，通过拟合射流中断看到越来越多的X射线双星的黑洞的基础。
2012-09-21 astro-ph.HE
Espresso and Stochastic Acceleration of Ultra-high-energy Cosmic Rays in Relativistic Jets
在espresso方案中，超高能（UHE）宇宙射线（CR）是通过活动星系核的相对论喷流中的类银河宇宙射线的一次性再加速产生的，与磁场波动决定的散射率无关。在Mbarek & Caprioli（2019）中，我们在高分辨率磁流体动力学（MHD）射流模拟中追踪了测试粒子CR，并发现相关的光谱斜率，化学成分和各向异性与UHECR现象学一致。在这项工作中，我们扩展了这样的分析，包括亚网格俯仰角散射模型的小尺度磁湍流，不能解决的MHD模拟。我们发现，一个大的散射率解锁随机加速度，并促进低能量CR，这最终导致更硬的UHECR光谱。然而，达到最高能量（达到希拉斯极限）的粒子总是由浓咖啡加速产生的，它们的光谱与假设的子网格散射率无关。
2021-08-13 astro-ph.HE
Additional Acceleration of Protons and Energetic Neutrino Production in a Filamentary Jet of the Blazar Markarian 501
耀变体一直被认为是最强大的高能宇宙射线及其副产品中微子的来源之一。假设在blazar喷流中也建立了磁化的附加系统，我们可以将多级扩散激波加速机制应用于可行的TeV发射器Mrk 501，以评估质子可实现的最大能量。系统地考虑到可能的能量限制，似乎可以说EeV质子是由我们目前的模型在这个位置产生的。我们还估计了这些加速质子产生的中微子通量，并讨论了基于更新的1000米尺度望远镜，如冰立方的可探测性。
2010-07-06 astro-ph.HE
Acceleration of high energy protons in AGN relativistic jets
本文研究了在超大质量黑洞磁层中预加速的高能质子相对论喷流的加速问题。当质子通过喷流轴和其外围之间的总电势差$U$时，质子达到最大能量。这种电压是由旋转的黑洞产生的，并沿着磁场线传输到喷流中。结果表明，质子在喷流中的运动轨迹可分为三组：未捕获、捕获和未加速。未被捕获的粒子不会被喷流内部的极向和环向磁场所保持，因此它们会逃离喷流，并且它们的能量等于最大值$eU$。被捕获的质子沿着射流运动，并在径向方向上振荡。它们的能量在$0.74 eU$值附近变化。在强磁场中，在磁层中预加速的质子被压向喷流轴，实际上在喷流中不被加速。这项工作定义了一系列最知名的AGN对象与相对论性喷流和微类星体SS433的加速制度。
2020-08-07 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
FR-0 jetted active galaxies: extending the zoo of candidate sites for UHECR acceleration
Fanaroff-Riley（FR）0射电星系是公认的超高能宇宙线（UHECR）候选加速器FR-1和FR-2星系的低光度延伸。它们的数密度要高得多--比FR-1和$z\leq 0.05$多五倍--使它们成为对观测到的UHECR通量各向同性贡献的良好候选源。在这里，加速和生存的UHECR在FR-0环境的主要条件进行了讨论。首先，基于\textit{FR0CAT}编译平均谱能量分布（SED）。这些光子场由喷流和宿主星系组成，形成了UHECR的最小目标光子场，它将遭受电磁对产生，光衰变，光介子产生损失和同步辐射。讨论了两种最有希望的基于费米-I阶的加速方案和逐渐剪切加速方案以及不同的逃逸方案。当有效的加速机制先于逐渐的剪切加速时，例如，费米-I或其他FR-0星系可能是UHECR加速器。逐渐剪切加速要求射流洛伦兹因子为$Γ>1.6$，比相应的逃逸更快。在不太乐观的模型中，膝盖和脚踝之间的宇宙射线通量的贡献预计将相对独立于实现的湍流和加速度。
2021-07-28 astro-ph.HE
Dissipation and particle acceleration at intermittent structures with velocity and magnetic shear: Interaction of Kelvin-Helmholtz and Drift-Kink instabilities
University of Colorado（科罗拉多大学）；University of Oxford（牛津大学）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）
通过二维粒子模拟研究速度与磁场剪切下Kelvin-Helmholtz与漂移-扭折不稳定性相互作用，发现其增强耗散并产生新型粒子加速机制，有助于理解天体物理湍流中的高能粒子产生。
2025-10-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Kinematics of the M87 jet in the collimation zone: gradual acceleration and velocity stratification
我们使用KVN和VERA阵列（KaVA）大型项目的第一年数据研究了M87喷气机的运动学，该项目自2016年以来一直在22和43 GHz下密集监测喷气机。我们发现，表观喷流速度一般增加从$\approx0.3c$在$\approx0.5$质量从喷流基地到$\approx2.7c$在$\approx20$质量，表明射流是从亚光速加速到超光速在这些尺度上。我们进行了补充射流运动学分析，通过使用档案甚长基线阵列监测数据在$2005-2009$在1.7 GHz的观测，并发现射流是在相对论速度高达$\approx5.8c$在距离$200-410$ mas。我们结合这两个运动学的结果，并发现，射流是逐渐加速在一个很宽的距离范围内，与射流准直区相一致，这意味着转换的坡印亭通量动能通量发生。如果喷流发射由单一流线组成，则与高度磁化喷流的模型相比，所观察到的喷流加速趋势（$Γ\propto z^{0.16\pm0.01}$）相对较慢。这表明通过极向磁场的差分准直的坡印廷通量转换可能比预期的效率低。然而，我们发现一个不可忽略的分散在所观察到的速度为一个给定的射流距离，使其难以描述的射流速度场与一个单一的幂律加速度函数。我们讨论的可能性，射流排放由多个流线以下不同的加速度剖面，导致射流速度分层。
2019-11-07 astro-ph.HE
Mechanisms of astrophysical jet formation, and comparison with laboratory experiments
喷流可以在年轻的恒星、X射线源、活动星系核（AGN）中观测到。射流的形成机理可分为规则射流、长时间连续射流和爆炸射流。连续机制与电动力学和辐射压力加速、厚盘内喷嘴中的流体动力学加速、相对论粒子束加速有关。爆炸喷流的形成与超新星、伽马射线暴和星系核爆炸事件有关。射流准直的机制可能与磁约束或外部气体压力有关。在实验中模拟了在实验室中用强激光束和等离子体聚焦形成射流的爆炸过程。
2019-05-15 astro-ph.HE
Particle acceleration by relativistic magnetic reconnection driven by kink instability turbulence in Poynting flux dominated jets
磁化相对论性喷流中的粒子加速仍然困扰着理论家，特别是当人们试图解释在blazar喷流或伽马射线暴中观察到的高度可变的发射时，这给当前的模型带来了严重的限制。在这项工作中，我们研究了粒子的加速注入到三维相对论磁流体射流受到电流驱动扭结不稳定性（CDKI），驱动湍流和快速磁重联。测试质子注入在几乎静止的射流快照，经历指数加速到最大能量。对于$B \sim 0.1$ G的背景磁场，该饱和能量为$\sim 10^{16}$ eV，而对于$B \sim 10$ G，其为$\sim 10^{18}$ eV。模拟还揭示了加速粒子与快速重联区域的明确关联。在射流中CDKI的非线性增长发展的早期阶段，当仍然没有快速重联的位点时，注入的粒子也被有效地加速，但是通过摆动的射流脊柱中的磁曲率漂移。然而，它们必须以远大于粒子在重联点加速所需的初始能量注入。最后，我们还从模拟中获得了由于重连而引起的加速时间，该加速时间对粒子能量$E$，$t_A \propto E^{0.1}$具有弱依赖性。加速粒子的能谱在加速开始时发展出一个高能量尾，其幂律指数为$p \sim$ -1.2，与早期的工作一致。我们的研究结果提供了一个适当的多维框架，探索这一过程中的实际系统，并解释其复杂的发射模式，特别是在非常高的能带和相关的中微子发射最近在一些耀变体中检测到。
2020-12-27 astro-ph.HE
The roles of fluid compression and shear in electron energization during magnetic reconnection
空间和天体物理重联点的粒子加速是磁重联研究中尚未解决的重要问题。早期的动力学模拟已经确定了与粒子漂移运动相关的几种加速机制。在这里，我们表明，对于足够大的系统，由于粒子漂移运动的湍流过程可以被描述为流体的压缩和剪切，并且剪切湍流与高能粒子的压力各向异性成正比。通过对全动力学模拟结果的分析，我们发现在弱引导场作用下，高能粒子重联的加速主要是压缩效应，当引导场占重联分量的50%时，压缩效应和剪切效应相当.空间分布的这些扰动效应表明，重联排气，收缩岛，岛合并区是三个最重要的区域压缩和剪切加速。本研究将粒子导引中心漂移运动引起的粒子运动与高能粒子输运理论中的背景流体运动引起的粒子运动联系起来。为建立大尺度重联加速（如太阳耀斑）的粒子输运模型提供了基础。
2018-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Unified theory of negative and positive spectral lags in GRB prompt phase due to shear Comptonization from a structured jet
针对伽马射线暴瞬时辐射阶段的负光谱滞后及滞后转变现象，提出带速度剪切的结构化喷流模型，通过剪切康普顿化效应统一解释正负光谱滞后的成因，并将喷流洛伦兹因子范围限制在几十量级。
2024-10-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The particle acceleration study in blazar jet
基于2705个耀变体的同步辐射峰值频率与曲率相关性，研究发现LCP与HCP分别由FFGA和EDPA主导，并在$\log ν_{\rm sy}\sim15$处发生机制转变。
2024-04-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
Kink instability as a particle acceleration mechanism in X-ray binaries and the connection to the outburst cycle
University of Oxford（牛津大学）；McGill University（麦吉尔大学）；University of Cape Town（开普敦大学）
本研究探讨扭折不稳定性作为X射线双星硬态致密喷流中粒子加速的机制，通过一维模型和模拟估算，发现喷流在加速区可能不稳定，并随参数变化影响辐射尺度及爆发周期演化。
2026-09-23 astro-ph.HE
MOJAVE XII: Acceleration and Collimation of Blazar Jets on Parsec Scales
我们报告的329个功能在95 blazar喷流从MOJAVE VLBA计划的加速性能。近一半的特征和四分之三的射流显示出速度和/或方向的显著变化。在一般情况下，明显的速度变化明显大于方向的变化，表明射流特征的洛伦兹因子的变化主导了观察到的速度变化，而不是沿视线的弯曲。观测到的加速度倾向于增加喷流底部附近特征的速度，即预计的$\lesssim 10-20$秒差距，而在较长距离处降低它们的速度。单个喷流在固定距离处的视速度范围可以跨越几个因子，表明激波特性和几何形状可能影响视运动;然而，我们认为，喷流特征在原点附近速度增加的广泛趋势是由于喷流流出到$10^2$秒差距量级的去投影距离的总体加速，超过该值，流动开始减速或保持几乎恒定的速度。我们估计内在的变化率的星系框架的顺序$\dotΓ/Γ\simeq 10^{-3}$到$10^{-2}$每年可以导致总的洛伦兹因子的几个因素的变化在这里观察到的长度尺度上的洛伦兹因子。最后，我们还发现了在$\lesssim 10$秒差距的投影距离处射流准直的证据，其形式为非径向运动和弯曲加速度，其倾向于更好地将特征与内部射流对准。
2014-10-30 astro-ph.GA astro-ph.HE
