Radiation-mediated shocks: kinetic processes and transition to collisionless shocks
我们分析了辐射介导的冲击波在任意冲击波速度的主要特点，无论是非相对论和相对论。我们描述了两种机制，这可能会导致形成一个尖锐的粘性亚激波，否则光滑的速度分布在冲击波阵面，即使在上游的辐射压力是压倒性的大。这些机制是次相对论性和相对论性辐射介导的激波所特有的，并将高速激波与非相对论性激波区分开来，如果辐射压力足够高，非相对论性激波就不会形成次激波。我们简要讨论了这一发现的影响。
2018-12-24 astro-ph.HE
Collisionless shocks in partly ionized plasma with cosmic rays: microphysics of non-thermal components
本文讨论了部分电离等离子体中非热成分存在下的天体物理无碰撞激波的一些观测问题和理论模型。快速强无碰撞激波的一个特殊特征是它们能够加速高能粒子，这些高能粒子可以改变激波上游流并形成激波前兆。我们讨论了高能粒子加速和相关的磁场放大和衰减的扩展冲击前兆的冲击线和连续多波长发射光谱的影响。这两个巴尔默型和辐射天体物理冲击的超新星遗迹与部分中性云的相互作用进行了讨论。在审查中描述的定量模型预测了一些可观察到的线状发射功能，可用于揭示的物理状态的物质在冲击前兆和非热过程的冲击的字符。最新进展的伽玛射线观测超新星遗迹的分子云的影响突出。
2013-04-03 astro-ph.HE
Collisionless shocks having relativistic velocities in relativistically hot plasmas
本文用二维粒子模拟研究相对论性热电子-正电子等离子体中的无碰撞激波，发现Weibel不稳定性耗散上游流形成激波，且激波结构和粒子加速幂律谱与冷上游情形相似。
2025-07-17 astro-ph.HE
Plasma heating and particle acceleration in collisionless shocks through astrophysical observations
超新星遗迹（SNRs）是恒星爆炸的产物，是强大的天体物理实验室，由于它们明亮的电磁辐射，使我们能够研究无碰撞冲击的物理学。超新星（SNe）产生的冲击波冲击波为我们提供了一个观察窗口，以研究极端条件下，其特征在于高马赫数（和Alfvenic马赫数），以及强大的非热过程。在无碰撞冲击中，不同物质之间的温度平衡可能不会在冲击波阵面处达到。在这个框架下，不同的粒子种类可能会在不同的温度下加热（取决于它们的质量），在冲击后介质的信噪比。信噪比的另一个特点是，由于轻子和强子的非热布居，在激波前沿产生宽带非热发射。这些被称为宇宙射线的粒子通过扩散激波加速被加速到超相对论能量。如果SNR损失了很大一部分冲压能量来加速宇宙射线，那么激波动力学就应该相对于绝热情况而改变。相对于Rankine-Hugoniot值4，这种激波修正应导致总激波压缩比的增加。在这里，我表明，X射线高分辨率光谱（测量离子温度）和中等分辨率光谱（详细诊断的冲击后密度）的组合，可以利用研究的加热机制和粒子加速碰撞冲击。我报告的新结果，在SN 1987 A的残余物中测量不同的离子种类的温度。我还讨论了最近在SN 1006 a残骸中获得的激波修正的证据。D、其中冲击压缩比随着冲击速度和环境磁场之间的角度减小而显著增加。
2023-01-03 astro-ph.HE
Simulations and Theory of Ion Injection at Non-relativistic Collisionless Shocks
我们使用动力学混合模拟（动力学离子-流体电子）来表征在非相对论性无碰撞冲击下被加速到非热能的离子的分数。我们调查的冲击不连续性的性质，并表明，几乎沿背景磁场（准平行冲击）重组离子回旋尺度上的准周期性传播的冲击。当不连续性最陡时，撞击激波的离子被镜面反射。这是被注入的必要条件，但还不够。此外，通过以下的反射离子的轨迹，我们计算注入扩散冲击加速所需的最小能量，作为冲击倾角的函数。我们构建了一个极小模型，占准周期激波屏障的离子反射，注入离子的分数，并在整个过渡从热到非热能的离子光谱。这个模型捕获的物理相关的离子注入在非相对论性天体物理冲击与任意强度和磁倾角，并代表了一个关键的成分，了解扩散冲击加速的宇宙射线。
2014-12-04 astro-ph.HE
The elusive synchrotron precursor of collisionless shocks
大部分的等离子体微物理学，塑造粒子在无碰撞冲击波的加速过程发生在宇宙射线的先驱，通过加速粒子与未冲击等离子体的相互作用。直接或间接地探测到这种前体中加速粒子的同步辐射，将为加速和无碰撞冲击波的微观物理学打开一扇新的窗户。我们提供了分析估计的光谱和偏振分数的同步前体的相对论和非相对论无碰撞冲击波阵面，占自我生成或放大的磁湍流。在相对论源中，前体的光谱比冲击等离子体的光谱更硬，因为上游停留时间随着粒子能量增加而增加，导致前体体积中加速粒子的有效硬光谱。在高频率下，通常在光学到X射线的范围内，前体的贡献变得相当大，但我们发现，在大多数研究情况下，它仍然主要由同步加速器或逆康普顿贡献的冲击等离子体;其贡献可能是检测到的，只有在trans-relativistic冲击波。非相对论源通过观察冲击波前沿提供了对前兆进行光谱成像的可能性。我们计算了各种参数的光谱形态贡献。同步加速器的贡献在最高频率（X射线范围）也相当大。如果湍流在激波阵面的横向平面上纠缠在一起，那么所产生的同步辐射应该是接近最大线性偏振的;偏振测量因此成为揭示这种前兆的一种有趣的工具。[摘要]
2017-02-16 astro-ph.HE
Electron acceleration in non-relativistic quasi-perpendicular collisionless shocks
利用自洽的一维粒子模拟方法研究了非相对论准垂直激波中电子的扩散激波加速。通过探索音速和Alfvénic马赫数的参数空间，我们发现，高马赫数准垂直冲击可以有效地加速电子到幂律下游谱与DSA预测的斜率一致。电子在激波处被磁镜反射，并在上游驱动非共振波。反射的电子被困在冲击波阵面和上游波之间，并在注入DSA之前经历多个冲击漂移加速循环。强电流驱动的波也暂时改变了冲击波的速度，并导致温和的质子预加速，即使在准垂直冲击，否则不会加速质子。这些结果可用于理解超新星遗迹和星系团团内介质的非热辐射。
2020-07-02 astro-ph.HE
The upstream magnetic field of collisionless GRB shocks: constraint by Fermi-LAT observations
长寿命的>100 MeV辐射是大多数费米-LAT探测到的伽马射线暴（GRB）的共同特征，例如，在长伽玛射线暴080916 C和090902 B中检测到的时间长达~10^3s，在短伽玛射线暴090510中检测到的时间为~10^2s。这种发射是一致的产生的同步辐射的电子加速到高能量的相对论无碰撞冲击传播到弱磁化介质。在这里，我们表明，这种高能量余辉发射约束的震前磁场满足1（n/1cc）^{9/8} mG<B<10^2（n/1cc）^{3/8}mG，其中n是震前密度，比以前的约束更严格的X射线余辉观测在一天的尺度。这表明震前磁场被强烈放大，很可能是由高能冲击加速粒子流造成的。
2011-04-28 astro-ph.HE
X-ray Line Diagnostics of Ion Temperature at Cosmic-Ray Accelerating Collisionless Shocks
通过对激波过渡区熵产生的模拟，提出了一种新的无碰撞激波跳跃条件。我们还计算了超新星遗迹（SNRs）中原子电离平衡和离子温度弛豫的下游发展。宇宙线在SNR激波中的注入和加速过程与无碰撞激波的形成过程密切相关。激波的形成是由波粒相互作用引起的。由于波粒相互作用导致电磁场和带电粒子之间的能量交换，与激波跃迁相关的粒子随机化可能以由电场和电流的标积给出的速率发生。我们发现，顺序的数量级估计的随机化与合理的强度的电磁场的SNR约束的CR核和离子温度的量。CR核的有限数量足以解释银河系的CR。离子温度变得显著低于在没有CR的情况下。为了区分没有CR的情况下，我们进行合成观测的SNR RCW~86的下游区域的原子线发射。通过{ \it XRISM}和{ \it Athena}的未来观测可以从离子温度区分SNR冲击是否加速CR。
2022-06-16 astro-ph.HE
Cosmic-ray-induced filamentation instability in collisionless shocks
我们使用前所未有的大2D和3D混合（动力离子-流体电子）模拟非相对论无碰撞强冲击，以研究自洽加速离子对整体冲击动力学的影响。超热粒子在冲击波前方流动，驱动电流激发出横向于背景磁场的模式。由这些自放大场引起的洛伦兹力倾向于挖掘出管状的、密度不足的、磁场耗尽的空腔，这些空腔与流体平流并扰动激波表面，触发下游湍流运动。这些运动进一步放大了磁场，在结状结构中高达50-100倍。一旦到达下游，空腔往往会被热等离子体羽流填满，这些羽流会压缩和拉伸细长细丝中的磁场;如果激波平行于背景场传播，这种效应尤其明显。高度磁化的结和细丝可以解释在RX J1713.7-3946中观察到的快速X射线变化，以及在第谷超新星遗迹中检测到的X射线明亮条纹的规则图案。
2013-02-13 astro-ph.HE
Collisionless shock in a relativistically hot unmagnetized electron-positron plasma
本文研究相对论性热未磁化电子-正电子等离子体中的无碰撞激波，发现其耗散足以解释伽马射线暴，并基于下游磁场慢衰减特性提出大范围磁场产生模型。
2024-10-18 astro-ph.HE
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
Collisionless Relativistic Shocks:current driven turbulence and particle acceleration
本文介绍了中等磁化强度的无碰撞相对论激波的物理性质。微观物理学与解释自然界中能量最大的辐射现象，即伽马射线暴的终止激波有关。当磁化强度在临界值附近降低时，会发生向费米过程的转变，这是散射打破平均场抑制的条件。散射是由返回粒子所携带的电流驱动的磁微湍流产生的，这一点到目前为止还没有被考虑过，但事实证明它比魏贝尔在跃迁周围的磁场更强烈。水流还对来流的运动产生缓冲作用，湍流的起始阈值取决于来流的运动。
2014-01-28 astro-ph.HE
New Evidence for Efficient Collisionless Heating of Electrons at the Reverse Shock of a Young Supernova Remnant
虽然无碰撞冲击在天体物理学中无处不在，但它们的某些关键方面还没有得到很好的理解。特别是，被称为无碰撞电子加热的过程，即电子在冲击波阵面处快速通电，是冲击物理学中的主要开放问题之一。在这里，我们提出了第一个明确的证据，有效的无碰撞电子加热在反冲击第谷的超新星遗迹（SNR），揭示了铁-K诊断使用高质量的X射线数据获得的朱雀卫星。我们检测到K-β（3 p-> 1 s）荧光发射从低电离Fe喷出物激发的高能热电子在反向冲击波阵面，它的峰值比Fe K-α（2 p-> 1 s）发射由一个相对高度电离的组件占主导地位的一个较小的半径。与我们的流体动力学模拟的比较意味着瞬时电子加热到的温度比单独从库仑碰撞预期的高1000倍。反向激波的独特环境是以高马赫数传播到具有低磁场强度的稀薄喷射物中，这对导致这种加热的物理机制施加了很强的约束，并有利于由激波前沿的电荷偏转产生的交叉激波势。我们敏感的观测还表明，这个SNR的反向激波半径比以前使用来自Chandra观测的Fe K-alpha形态的测量值小约10%。由于强烈的Fe K-β荧光预计只有从低电离等离子体中的Fe离子仍然有许多3 p电子，这一功能是关键的诊断等离子体状态和分布的立即postshock喷出物在一个年轻的SNR。
2013-10-31 astro-ph.HE
Towards understanding the physics of collisionless relativistic shocks
相对论性天体物理学无碰撞激波是相对论性外流巨大能量的主要耗散媒介，这些能量是由吸积黑洞、核坍缩超新星和其他天体产生的，并转化为多信使辐射（宇宙射线、中微子、电磁辐射）。本文提供了一个理论上的讨论，这些极端现象的基本物理成分。在弱磁化冲击的背景下，特别是，它示出了如何的recructiontype不稳定性，这对占主导地位的或电子-离子冲击的前体中发展，提供种子的散射的高能量粒子以及预热和减慢传入的前体等离子体的代理。这一分析讨论完成了一个介观的，非线性模型的粒子加速相对论冲击的基础上蒙特卡罗技术。该蒙特卡罗模型使用粒子散射的半唯象描述，使其能够计算加速粒子在激波结构上的长度和动量尺度上的反向反应，这些尺度目前超出了微观粒子单元（PIC）模拟的范围。
2017-05-16 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
Dynamical efficiency of collisionless magnetized shocks in relativistic jets
所谓的内激波模型旨在解释起源于耀变体流和伽马射线暴的非热过程所产生的光变曲线和光谱。一个长期存在的问题是，在相对论性流中驱动的微弱的无碰撞冲击是否足够有效，以解释与预期的外流动能相比所观察到的能量。在这项工作中，我们研究了相对论磁化外流的内部冲击的动能转换为热能/磁能的动态效率。我们发现，具有非零相对速度的壳之间的碰撞可以产生两个相反移动的冲击（在接触面处于静止的框架中），或反向冲击和前向稀疏。对于中等磁化强度的冲击波（磁化强度σ ~ 0.1），两壳层相互作用的动力学效率可达40%。因此，中等磁化冲击的动态效率大于相应的未磁化的两壳层相互作用。我们发现，效率仅弱依赖于壳层的洛伦兹因子，因此在耀变体和伽马射线暴的磁化流的内部冲击是近似相等的效率。
2010-12-11 astro-ph.HE
Collisionless shock heating of heavy ions in SN 1987A
从日球层到宇宙冲击波，所有尺度的天体物理冲击都是典型的“无碰撞”的，因为它们的跳跃区的厚度比碰撞平均自由程短得多。在这些跳跃中，电子、质子和离子被加热到不同的温度。超新星遗迹具有明亮的激波后辐射和快速的激波，是研究无碰撞过程的理想目标。虽然光学观测的巴尔默为主的冲击在年轻的信噪比表明，冲击后的质子温度高于电子温度，冲击后的温度对粒子质量的实际依赖性仍然是广泛争论。我们通过分析钱德拉X射线望远镜对附近最年轻的超新星遗迹SN 1987A的深多时代和高分辨率观测来解决这个长期存在的问题。我们介绍了一种新的数据分析方法，通过研究观察到的光谱密切比较，一个专门的全三维流体动力学模拟。该模拟能够自洽地再现许多离子的谱线的整个加宽。因此，我们可以测量后冲击质子和选定的离子的温度，通过比较模型与观测。我们已经获得了有关碰撞冲击中的加热过程的信息，发现离子与质子的温度比总是显着高于一个，并线性增加与离子质量的质量范围很广的质量和冲击参数。
2019-01-29 astro-ph.HE
Electron Acceleration at Rippled Low-Mach-number Shocks in High-beta Collisionless Cosmic Plasmas
利用大尺度二维粒子模拟方法，研究了高$β$等离子体中低马赫数激波传播时激波波纹对电子加速的影响，并应用于星系团中的合并激波.我们发现，电子加速率显着增加时，波纹模式的出现。主要的加速机制是随机激波漂移加速，其中电子被湍流的俯仰角散射限制在激波处，并从运动的电场获得能量。多尺度磁湍流的存在下，在冲击过渡和区域紧接在后面的主冲击过冲是必不可少的电子束。宽能量的非热电子分布形成的上游和下游的冲击。电子的最大能量足以使它们注入扩散冲击加速。我们首次证明了下游电子能谱具有指数为$p\approx 2.5$的~幂律形式，与观测结果一致。
2021-07-01 astro-ph.HE
Collisionless Shock Driven by a Supersonic Velocity Shear
The University of Tokyo（东京大学）
研究通过粒子模拟发现，无磁化正负电子对等离子体中，Alves不稳定性驱动超音速速度剪切形成无碰撞激波，该激波可加速高能粒子并产生剪切加速所需的磁场湍流，为剪切加速注入问题提供了可能的解决方案。
2026-10-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Vlasov equation cannot fully account for collisionless shocks
本文指出Vlasov方程因保持熵不变而无法完全解释无碰撞激波，提出无碰撞激波的严格数学理论可能需要在Klimontovich层面上进行研究。
2025-06-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Cosmic-ray acceleration at collisionless astrophysical shocks using Monte-Carlo simulations
上下文扩散激波加速机制已被广泛接受为银河系宇宙射线的加速机制。虽然自洽混合模拟已经显示了如何产生幂律谱，但关于扩散粒子运动和湍流电磁场相互作用的详细信息仍然难以捉摸。目的。在实验粒子理论的框架下，通过检验所获得的宇宙线能谱，研究了扩散激波加速效应。由此产生的能量谱可以通过这种方式从粒子运动中获得，并且根据规定的湍流模型，可以研究通过等离子体波的随机加速的影响。方法.数值蒙特卡罗模拟代码扩展到包括无碰撞激波。这使得人们可以追踪测试粒子在加速时的轨迹。此外，扩散系数可以直接从粒子运动中获得，这使得可以详细了解加速过程。结果$E^{-2}$能谱的经典结果仅在平行激波时重现，而在所有其他情况下，能谱指数根据激波的对称性而减小。定性地说，这可以用平行和垂直于激波阵面方向上的扩散系数来解释。
2015-06-03 astro-ph.HE
Particle Acceleration in Relativistic Magnetized Collisionless Pair Shocks: Dependence of Shock Acceleration on Magnetic Obliquity
利用2.5维和3维粒子模拟方法研究了相对论磁化无碰撞对激波的激波结构和粒子加速。我们探讨了冲击前磁场和冲击法线之间的倾斜角度范围。我们发现，只有磁倾角对应的“亚光速”冲击，其中相对论粒子的磁场后，可以逃脱前面的冲击，导致粒子加速。在这种冲击的下游频谱包括一个相对论麦克斯韦和高能量幂律尾指数截止。随着磁倾角在亚光速范围内的增加，高能尾所占的粒子比例（从~1%到~2%）和能量（从~4%到~12%）都在增加。幂律的谱指数随角度从-2.8+-0.1增加到-2.3+-0.1。对于几乎平行的激波，粒子加速由扩散激波加速过程驱动，对于较大的亚光速倾角，粒子加速切换到激波漂移加速。对于“超光速”激波，下游粒子谱没有显示出任何明显的超热尾。从上游坐标系可以看出，相对论性（洛伦兹因子gamma 0> 5）磁化（sigma > 0.03）流中的有效加速只存在于很小的磁倾角范围内（< 34/gamma 0度），因此相对论性天体物理对激波必须要么接近平行，要么弱磁化，以产生非热粒子。这些发现限制了AGN喷流、脉冲星风星云和伽马射线暴的模型，这些模型在相对论磁化冲击中引起粒子加速。（节录）
2009-01-19 astro-ph.HE
Importance of the Resonant Cosmic-Ray Streaming Instability Upstream of Collisionless Shocks
The University of Chicago（芝加哥大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿诺尔德·爱因斯坦天体物理研究所）
研究无碰撞激波上游宇宙射线逃逸引发的磁场放大，发现共振不稳定性在最大能量粒子中可超越非共振模，模拟证实其重要性，忽略它会低估关键尺度的磁场增长。
2026-09-22 astro-ph.HE
The microphysics of collisionless shock waves
无碰撞冲击，即由电磁过程介导的冲击，在空间物理学和天体物理学中是常见的。它们存在于各种各样的物体和环境中：磁层和日光层冲击、超新星遗迹、脉冲星风及其星云、活动星系核、伽马射线暴和星系团冲击波。无碰撞冲击微观物理学在冲击形成、冲击动力学和粒子运动和/或加速的不同阶段进入。结果表明，冲击现象是一个时间和空间上的多尺度非线性问题。在天体物理环境中，高能宇宙射线的撞击使其复杂化。本文通过对现有的多波长或现场观测、分析和数值计算的研究，讨论了激波形成、激波动力学和粒子加速等物理问题。一个特别强调的是在冲击形成过程中触发的不同的不稳定性，并与粒子加速过程的背景上游介质的属性。看来，在最重要的参数中，通过磁化的背景磁场及其磁化强度是占主导地位的。可以达到相对论速度的激波速度也对微观不稳定性的发展和粒子加速的命运有很大的影响。实验室冲击实验的最新发展已开始给空间等离子体和天体物理冲击波的物理学带来一些新的见解。一个特别的部分是专门探讨冲击物理学的新的激光等离子体实验
2016-04-01 astro-ph.HE
Collisionless Shocks and TeV Neutrinos before Supernova Shock Breakout from an Optically Thick Wind
在超新星爆炸期间，辐射主导激波（RDS）穿过其前身。在冲击波爆发（SB）过程中，通常假设一个无碰撞冲击波（CS）代替它。我们在这里证明，对于一些实际的祖先笼罩在光学厚风，如可能SN 2008D，CS形成风深处，不久后，RDS离开核心，当靠近核心的风的密度不足以补偿由于激波引起的光子的$r^{-2}$稀释时，曲率这通常发生在激波速度为$\lesssim 0.1 {\rm c} \, (\frac{u_{\rm w}}{10\,{\rm km/s}}) (\frac{\dot{M}}{5 \cdot 10^{-4} \, {\rm M}_\odot {\rm /yr}})^{-1} (\frac{r_\ast}{10^{13}\,{\rm cm}})$时，其中$u_{\rm w}$、$\dot{M}$和$r_\ast$分别是风速、质量损失率和祖星半径。辐射CS导致爆发时光子闪光的硬光谱，这将产生X射线闪光。对于这样的祖先，宇宙射线加速将在SB之前开始。一小部分次级TeV中微子可以在第一个光子爆发之前10个多小时到达观察者，提供关于祖先不可见层的信息。
2015-03-13 astro-ph.HE
Collisionless shocks in a partially ionized medium: I. Neutral return flux and its effects on acceleration of test particles
中性原子的存在可以通过离子与中性原子之间的电荷交换以及中性原子的电离过程来强烈地改变无碰撞激波。这两个过程导致激波上游和下游的带电粒子和中性粒子之间的能量和动量交换。特别是，中性粒子在下游与冲击加热的离子进行电荷交换，产生高速中性粒子，这些中性粒子有有限的概率返回上游。然后，这些中性粒子可能通过电离和电荷交换在上游等离子体中沉积热量，从而降低流体的马赫数。这种现象的一个后果，我们称之为“中性返回通量”，是激波压缩因子的减少和上游激波前兆的形成。前体的标度长度由向上游无穷远移动的快中性粒子的电离和电荷交换相互作用长度决定。在激波在星际介质中传播的情况下，离子-中性相互作用的影响对于激波速度< 3000 km/s特别重要。这种传播速度在超新星遗迹相关的冲击波中很常见，超新星遗迹是银河系宇宙射线加速的主要候选源。然后，我们调查的中性粒子的返回通量的影响，在冲击加速的测试粒子的光谱。我们发现，对于速度小于~3000 km/s的激波，粒子能谱相对于对强激波的朴素期望值（即E^-2）明显变陡。
2012-06-19 astro-ph.HE
A mechanism that could stop the acceleration process within a collisionless shock
本文通过稳定性分析，将激波宽度与加速粒子谱及密度比关联，发现上游加速粒子比例达约30%时，无碰撞激波加速过程可能终止。
2024-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A fast current-driven instability in relativistic collisionless shocks
我们在这里报告的快速电流驱动的不稳定性在相对论性无碰撞冲击，引发的超热粒子携带的垂直电流，因为他们周围的背景磁场在冲击前兆回旋。我们表明，这种不稳定性的增长速度比任何其他不稳定性研究到目前为止，在这种情况下，我们认为，它很可能塑造物理的冲击和粒子加速在一个广泛的参数范围。
2014-05-29 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
Electron energization in upstream of collisionless electron/ion shocks produced by interpenetrating plasmas
本文讨论了相对论e/i激波上游区的电子碰撞机制。通过粒子模拟，我们证明了电子与增强的电场和磁场的磁涡旋（MV）的相互作用可以获得大量的能量在相互作用过程中。MV是在相对论电子-离子激波的上游区域自产生的。
2020-06-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A critical Mach number for electron injection in collisionless shocks
本文讨论了任意磁场取向的无碰撞激波中的电子加速问题。结果表明，热电子注入扩散激波加速过程是由速度空间中具有损失锥的电子束通过激波漂移加速机制反射回激波上游实现的。当激波的阿尔芬马赫数足够高时，电子束能够激发哨声波，哨声波能够散射高能电子本身。电子注入的临界马赫数作为上游参数的函数。并讨论了它在超新星馀震中的应用。
2010-04-22 astro-ph.HE physics.space-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
Collisionless ablative plasma shocks
本文研究冷稠密与热稀薄等离子体界面处的无碰撞烧蚀激波，发现其由双极电场介导的尾部电子热通量驱动，激波前沿宽度与速度分别由上游德拜长度和下游声速决定，并通过双极电场加速离子实现高效无碰撞加热。
2025-05-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Time-resolved characterization of the formation of a collisionless shock
我们报告的时间和空间分辨检测的非磁化，超临界碰撞的冲击在激光驱动的实验室实验中，导致形成的非磁化，超临界碰撞的冲击阶段。与冲击相关的静电势的测量演变揭示了从电流自由双层到对称冲击结构的过渡，通过在冲击前沿的离子反射稳定。通过匹配的Particle-In-Cell模拟和理论考虑，我们认为这个过程类似于超新星遗迹中超临界无碰撞冲击的离子反射。
2013-04-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron Beam Weibel Instability in the Collisionless Shock with Low Mach Number
采用粒子模拟方法研究了静电无碰撞激波中电子束的韦伯不稳定性。当非相对论入射等离子体与冷的稀等离子体碰撞时，在界面附近形成静电激波。在此基础上，由于韦伯不稳定性的存在，形成了一个附加的面外磁场。结果表明，入射热电子的各向异性不足以触发韦伯不稳定性。在稀等离子体中，冷电子激发了韦伯不稳定性。稀等离子体中的电子在被冲击电场加速到相对论速度后，具有相当大的各向异性，可以触发韦伯不稳定性
2022-02-09 astro-ph.HE physics.plasm-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
Particle-in-cell simulations of collisionless shock formation via head-on merging of two laboratory supersonic plasma jets
我们描述了数值模拟，使用粒子在细胞（PIC）和混合PIC代码Lsp [T。P. Hughes等人，物理修订版ST加速Beams 2，110401（1999）]，两个实验室超音速等离子体射流的迎面合并。这些实验的目的是在实验室中形成和研究与天体物理学有关的无碰撞冲击。使用等离子体射流的初始条件（密度约为10^14-10^16 cm^（-3），温度约为几eV，传播速度约为20-100 km/s），射流传播的大规模模拟表明，在合并区域，两股射流之间的相互作用基本上是无碰撞的。在高分辨率的一维和二维模拟中，我们表明，无碰撞冲击所产生的合并射流时，沉浸在施加的磁场（B ~ 0.1-1千克）。在预期的等离子体射流速度高达100 km/s时，我们的模拟不会产生非磁化的无碰撞冲击，这需要更高的速度。磁场的方向以及射流的轴向和横向密度梯度对相互作用的性质具有强烈的影响。我们比较我们的一些模拟结果与以前发表的PIC模拟研究的无碰撞冲击波的形成。
2013-05-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
3D modeling of collisionless shocks
无碰撞冲击波的二维模拟对于理解非线性演化、动量传递和粒子加速的物理过程具有非常重要的意义，但目前的计算机能力已经达到了三维模拟变得可行的程度。我们提出了第一个三维模型的一个充分发展和放松相对论离子电子冲击，并分析和比较类似的二维模型。定量和定性的差异被发现相对于二维模型。由于额外的自由度，激波跳跃条件当然是不同的，但是另外发现，在激波界面处形成强的平行电场，磁场能量水平较低，并且非热粒子分布较浅，幂律指数约为2.2。
2010-07-28 astro-ph.CO astro-ph.HE
Collisionless electrostatic shock formation and ion acceleration in intense laser interactions with near critical density plasmas
本文研究了近临界密度等离子体中激光驱动的无碰撞静电激波的形成及随后的离子加速。粒子模拟结果表明，由于激光在近临界密度等离子体中的快速传播，激光驱动的无碰撞静电冲击的速度和冲击加速的离子的能量都可以大大提高。然而，在近临界密度的等离子体中，冲击波形成之前需要比数十个激光波周期更长的响应时间，与高过密度靶中的快速冲击波形成相反。更重要的是，我们发现，即使在激波上的静电势跃变小于离子在激波系中的动能时，某些离子也可以被无碰撞激波反射，这似乎与传统的离子反射条件相反。这些异常离子反射归因于强时间振荡电场伴随着激光驱动的无碰撞冲击在近临界密度等离子体。
2016-11-21 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Bridging the Gap between Collisional and Collisionless Plasma Shocks: A Simulation Study using OSIRIS
本研究使用OSIRIS带Coulomb碰撞模块的粒子模拟，通过改变碰撞率参数，弥合了碰撞型与无碰撞等离子体激波，发现激波宽度在离子等离子体参数 $N_D \approx 1$ 时平滑过渡，并重现了渐近预测。
2025-08-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion acceleration at two collisionless shocks in a multicomponent plasma
强激光与等离子体相互作用是实验室研究无碰撞冲击离子加速的重要手段。用二维粒子单元法计算了多组分等离子体，在归一化激光矢势a0超过10时，用线偏振激光驱动时，在两个不同的纵向位置观察到两个静电无碰撞激波。此外，这些冲击，与质子和碳离子，显示幂律依赖于a0和加速离子不同的速度在一个扩大的上游具有更高的通量比在单组分氢或碳等离子体。这是由不同离子的荷质比差异引起的静电离子双流不稳定性造成的。在空间和天体物理学中，多组分等离子体中的无碰撞冲击中的粒子加速是普遍存在的，这些计算确定了在实验室中研究这些复杂过程的可能性。
2021-04-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless shock formation, spontaneous electromagnetic fluctuations and streaming instabilities
无碰撞冲击在天体物理学和实验室中无处不在。最近的数值模拟和实验表明，它们是如何从两个无碰撞的等离子体壳的相遇中产生的。当壳层相互穿透时，重叠区域变得不稳定，触发了激波的形成。作为对该过程的微观理解的第一步，我们在这里详细分析了初始不稳定阶段。一方面，二维相对论PIC模拟进行两个对称的初始冷对等离子体碰撞。另一方面，分析了工作中的不稳定性，以及饱和场和被放大的种子场。对于温和的相对论运动和向前，韦伯模式支配线性相位。我们推导出的线性相位的持续时间与模拟吻合良好的表达式。这个饱和时间实际上构成了激波形成时间的下限。
2013-04-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulation of collisionless shocks in plasmas with high metallicity
给出了高金属丰度等离子体中低β超临界准平行激波的混合模拟结果。上游和下游的湍流的结构被解决，并推导出相应的散射中心的速度。结果表明，独立的化学成分的冲击经历自我改革的过程。然而，自重整的周期以及波谱的存在下，大量的弱电荷重离子的混合物的影响很大。此外，下游磁场放大对于高金属量情况更强。
2019-10-24 astro-ph.HE physics.space-ph
Cross-scale coupling at a perpendicular collisionless shock
对一个具有较低Alfven马赫数（M_A=5）的垂直无碰撞激波进行了全粒子模拟研究。在本研究中，我们进行了二维（2D）电磁全粒子模拟与“休克休息框架模型”。模拟域被取为大于离子惯性长度，以便包括电子和离子的全部动力学。模拟结果证实了激波结构由周期性的自重整向准稳态激波阵面的转变。在过渡期间，电子和离子在平行于冲击磁场的方向上被热化。离子被激波根部强离子温度各向异性激发的低频电磁波（或波纹结构）热化，而电子被激波过冲处电子温度各向异性激发的高频电磁波（或哨声模式波）热化。在电子平行温度变得高于离子平行温度的冲击过冲处也激发离子声波。我们预计，离子声波是负责电子和离子的平行扩散，和一个离子尺度的介观不稳定性和电子尺度的微观不稳定性之间的跨尺度耦合是很重要的结构和动力学的无碰撞垂直冲击。
2011-04-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron-Ion Temperature Equilibration in Collisionless Shocks: the Supernova Remnant-Solar Wind Connection
无碰撞激波是指激波前和激波后状态之间的过渡发生在比碰撞平均自由程短得多的长度尺度上的激波。在没有碰撞来实现激波后的热平衡的情况下，电子和离子不需要具有相同的温度。虽然电子的加速注入到冲击加速过程中产生宇宙射线已受到相当大的关注，相关的问题的冲击加热的准热电子一直相对被忽视。在本文中，我们回顾了我们的知识状态的电子加热的天体物理冲击，主要与超新星遗迹（SNRs），在太阳风的冲击与地面和土星的弓形冲击，和星系团冲击。太阳风和信噪比样本表明，电子温度与离子温度的比值随激波速度或阿尔芬马赫数的增加而减小。我们讨论了在何种程度上可以理解这种行为通过宇宙射线产生的波在冲击前兆，然后通过加热电子阻尼。最后，我们推测，一个类似的机制可能是在工作的太阳风和SNR冲击。
2013-05-28 astro-ph.GA astro-ph.HE
Electron heating in high Mach number collisionless shocks
本文提出高马赫数无碰撞激波中电子加热的新理论模型，揭示电子-离子惯性差异导致的差异性散射及双极电场与扩散输运的自洽作用，解释了Weibel磁场中的高效加热机制。
2024-05-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of relativistic collisionless shocks: III The suprathermal particles
在这一系列的第三篇论文中，我们讨论了非磁化的相对论无碰撞对激波的前体中加速粒子的总体物理。特别地，我们提供了它们在自生电磁湍流中的散射长度$l_{scatt}(p)$的理论估计，以及它们的分布函数的估计。我们得到了$l_{scatt}(p) \simeq (γ_p /ε_B)(p/γ_{\infty} mc)^2 (c/ω_p)$，其中p为激波阵面静止坐标系中的粒子动量，$ε_B$为微湍流的强度参数，$γ_p$为背景等离子体相对于激波阵面的洛伦兹因子，$γ_{\infty}$为背景等离子体在前兆外的渐近值。我们比较这种散射长度的大规模PIC模拟，并找到良好的协议的各种依赖关系。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Mach number and plasma beta dependence of the ion temperature perpendicular to the external magnetic field in the transition region of perpendicular collisionless shocks
离子温度各向异性是（准）垂直无碰撞激波的共同特征。通过使用二维全粒子模拟，它示出，离子温度分量垂直的冲击磁场在冲击脚区域是成比例的阿尔芬马赫数除以等离子体β的平方。这一结果也解释了一个简单的分析参数，其中反射离子从上游等离子体流获得能量。通过比较分析和数值计算结果，还证实了当Alfven马赫数的平方除以等离子体β大于20时，反射离子的分数几乎不依赖于等离子体β和Alfven马赫数。
2019-11-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
On the Formation and Properties of Fluid Shocks and Collisionless Shock Waves in Astrophysical Plasmas
当两个等离子体碰撞时，它们的相互作用可以通过无碰撞等离子体不稳定性或每个壳层粒子之间的二元碰撞来介导。通过比较无碰撞不稳定性的最大增长率与壳层粒子之间的碰撞频率，我们确定了将无碰撞形成与碰撞形成所产生的冲击波分开的临界密度。这个临界密度也是一个密度，超过这个密度，下游的激波就没有场了，因为等离子体不稳定性没有时间发展电磁模式。进一步确定了下游碰撞时壳体的初始密度和速度条件。如果这些量满足确定的条件，则下游的碰撞性也防止冲击波加速粒子或产生强磁场。我们比较的声速与两个壳之间的碰撞的相对速度，从而确定的部分的参数空间中的强冲击的形成是可能的经典和简并等离子体。最后，我们讨论了在几个天体物理设置的观测结果。
2018-05-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
Relativistic Collisionless Shocks in Inhomogeneous Magnetized Plasmas
全动力学模拟显示，上游动力学尺度密度扰动可使磁化相对论无碰撞激波恢复粒子加速能力，并产生影响耀变体偏振的大尺度磁结构。
2023-04-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Identification of electrostatic two-stream instabilities associated with a laser-driven collisionless shock in a multicomponent plasma
静电双流不稳定性在静电无碰撞激波形成中起着重要作用。它们是一种关键的耗散机制，导致离子加热和加速。由于冲击加速离子的数量和能量取决于不稳定性，因此精确识别主动不稳定性是重要的。二维粒子在细胞模拟多组分等离子体揭示离子反射和加速在冲击波前，激发纵向传播的静电不稳定性，由于非振荡分量的静电场在上游地区的冲击，和产生向上和向下移动的速度分量内的扩展离子组件。使用一维静电等离子体色散函数，其中包括电子和离子的温度效应，C2 H3Cl等离子体的不稳定性的线性分析表明，最不稳定的模式是静电离子束双流不稳定性（IBTI），这是弱依赖于电子的存在。IBTI是由膨胀的质子和碳离子群体之间的速度差激发的。有一个静电电子-离子双流不稳定性与一个小得多的增长率与人口的质子在冲击反射。与激光驱动的无碰撞冲击相关联的快速增长的IBTI的激发增加了准单能离子束的亮度。
2021-10-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Efficient ion re-acceleration in laboratory-produced interpenetrating collisionless shocks
Sorbonne Université（索邦大学）；Observatoire de Paris, Université PSL（巴黎天文台，巴黎文理研究大学）；Technion（以色列理工学院）；STFC Rutherford Appleton Laboratory（英国科学与技术设施委员会鲁瑟福阿普尔顿实验室）；University of Oxford（牛津大学）；IRSN（法国辐射防护与核安全研究院）
通过激光实验和数值模拟，研究相互贯穿无碰撞激波对已加速质子的再加速机制，发现可显著提升能量并改善加速效率。
2026-06-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
