Particle-in-cell Simulations of the Magnetorotational Instability in Stratified Shearing Boxes
本研究针对黑洞周围低光度吸积盘的无碰撞磁旋转不稳定性，开展带净垂直场分层剪切盒的二维三维PIC模拟，发现盘膨胀、外流、类发电机过程等，证实非热粒子加速幂律分布，为低光度吸积盘MRI效应建模迈出第一步。
2023-08-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational dynamo chimeras. The missing link to turbulent accretion disk dynamo models?
在开普勒吸积盘中，湍流和磁场可以通过包含磁旋转不稳定性（MRI）的亚临界发电机过程联合激发。高分辨率的模拟表现出统计自组织的MRI发电机湍流到大规模的循环动力学的趋势。了解这些结构的物理起源，以及它们是否可以在天体物理条件下有效地维持和传输角动量，是一个重大的理论挑战。简单的周期性非线性MRI发电机解决方案的发现最近被证明是有用的，在这方面，并已显着地突出了湍流磁扩散的作用，在低磁普朗特数Pm（磁扩散率大于粘度），一个共同的制度，在吸积盘的动态似乎衰减。然而，这些简单结构与湍流模拟中报告的统计组织之间的联系仍然难以捉摸。在这里，我们报告的数值发现在中等纵横比开普勒剪切盒的新的周期性，不可压缩的，三维非线性MRI发电机解决方案具有较大的动力学复杂性，让人想起这样的模拟。这些“嵌合体”周期的特点是多个MRI不稳定的动力学阶段，但它们的基本物理原理的自我维持，然而是相同的那些更简单的周期中发现的方位角拉长盒。特别是，我们发现，他们没有持续在低PM由于亚临界湍流磁扩散。这些解决方案提供了一个新的视角到从层流到湍流不稳定性驱动发电机的过渡，并可能被证明是有用的设计改进的统计模型的湍流吸积盘发电机。
2016-07-11 astro-ph.HE
Magnetorotationally driven wind cycles in local disc models
喷流，从原恒星到活动星系核的背景下，已被广泛研究，但其连接到底层吸积盘的湍流动力学知之甚少。遵循与Lesur等人（2013）类似的方法，我们研究了磁旋转不稳定性（MRI）在圆盘流出的产生和加速中的作用。通过一套一维剪切箱模拟的分层磁盘，我们表明，磁离心风表现出周期为10-20 Ω ^{-1}，轨道周期的几倍周期的循环活动。强垂直场的周期性更强，对相关参数的变化具有较强的鲁棒性，且与数值细节无关。这些解决方案的收敛性（特别是质量损失率）与垂直盒的大小进行了研究。通过考虑一系列磁流体静力平衡及其稳定性，周期性活动可以被理解为以下阶段的连续：（a）主导MRI通道模式，（b）强磁场产生，（c）随之而来的风发射，以及最终（d）与风相关的膨胀和加速气体对多余磁场的垂直驱逐。我们讨论了这种行为和观察到的磁盘喷射系统的时间变化之间的潜在联系。
2016-08-30 astro-ph.HE
Dynamo effects in magnetorotational turbulence with finite thermal diffusivity
研究了在净磁通为零的情况下，磁旋转不稳定性驱动的磁流体湍流的饱和度。受Bodo，Cattaneo，Mignone和Rossi最近的一篇论文的启发，我们在这里集中讨论具有恒定热扩散率的非等温状态方程的情况。本文的主要目的是补充以前的结果与封闭参数的平均场发电机模型，并测试的假设，发电机的热传输模式的影响。本文对分层吸积盘的局部剪切盒模型进行了计算机模拟，并对辐射热输运进行了近似处理。我们研究了不同的（常数）热扩散率的影响，并应用不同的垂直边界条件。在不可穿透的垂直边界的情况下，我们确认的过渡，从主要是传导性的主要是对流的垂直传热低于临界热扩散系数。然而，当应用更自然的流出边界条件时，这种转变就不那么明显了。同样，在这种情况下，磁活动的增强也不那么明显。然而，通过湍流耗散加热决定了吸积盘的热力学结构，并明显影响相关发电机的性质。然而，这种影响可能被高估，在以前的工作中，和边界所发挥的作用，将需要仔细研究。
2013-04-09 astro-ph.HE
Magnetorotational instability driven dynamos at low magnetic Prandtl numbers
对非分层等温立方区域中初始净磁通为零的磁旋转不稳定性（MRI）进行了数值模拟，证明了磁边界条件的重要性.在完全周期系统中，MRI产生的湍流水平随着运动粘度与磁扩散之比的磁普朗特数（Pm）的减小而显著减小.没有发现低于Pm=1的MRI或发电机动作，与早期的调查一致。使用垂直场条件，其允许在系统外产生净环向通量和磁螺旋度通量，发现MRI在0.1 < Pm < 10的范围内被激发，并且饱和水平与Pm无关。在垂直场运行强大的平均场发电机发展，并有助于维持MRI。
2011-07-06 astro-ph.HE astro-ph.SR
What Is The Numerically Converged Amplitude of MHD Turbulence in Stratified Shearing Boxes?
本文研究了分层剪切盒中磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的性质，该盒具有流出边界条件和由自洽耗散和辐射损失确定的状态方程。在一个固定的计算框内进行了一系列的模拟与提高分辨率。我们实现了径向和方位角分辨率的数值收敛。随着垂直分辨率的提高，应力与压力的比值仅缓慢增加，但应力和压力的绝对水平显著增加。在磁盘的核心内的磁场的垂直相关长度是高度依赖于时间的，但随着时间的推移平均，它是$\simeq 3$倍以上，发现在以前的unstratifed模拟。这种相关长度随着垂直分辨率的增加而缓慢减小。我们认为，这种更大程度的相关性在分层比非分层磁盘，即使在中面附近，是由于现场浮力。我们进一步表明，波动的帕克不稳定性驱动磁场上涌在几个scaleheights从中平面是分层的MHD湍流磁盘的特点。
2009-12-11 astro-ph.HE
Magnetorotational instability and dynamo action in gravitoturbulent astrophysical discs
虽然通常被孤立地对待，磁旋转和引力不稳定性（MRI和GI）可能在原行星盘和活动星系核的某些半径和演化阶段重合。它们之间的相互作用可以深刻地影响几个重要的过程，如吸积变化和爆发，碎裂和盘截断，或大规模磁场的产生。这两种不稳定性的直接数值模拟在计算上是具有挑战性的，并且仍然相对未被探索。在本文中，我们的目标是纠正这种忽视通过一组三维垂直分层剪切盒模拟，结合自重和磁场。我们发现，重力湍流大大削弱了零净通量MRI。在有效冷却（从而增强GI）的限制下，MRI被完全抑制，但强磁场由重力湍流维持。这种动荡的“螺旋波”发电机可能有广泛的应用，特别是在星系盘。最后，我们提出了初步的工作表明，一个强大的净垂直通量复苏的MRI和支持磁主导的状态，其中GI是次要的。
2017-09-20 astro-ph.EP astro-ph.HE
MRI channel flows in vertically-stratified models of accretion disks
磁旋转不稳定性（MRI）在“非分层”剪切盒的模拟表现出强大的相干流，从而流体垂直分裂成反向运动的平面射流或“通道”。通道流对应于某些轴对称线性MRI模式，并且它们的优势来自于它们是弱磁场极限下MHD方程的近似非线性解这一显著事实。在本文中，我们表明，分析和一维数值模拟，这一属性也共享某些轴对称MRI模式在垂直分层剪切盒。这些通道流迅速捕获大量的磁能和动能，因此容易受到二次剪切不稳定性的影响。我们研究这些寄生虫在垂直分层的上下文中，并估计最大幅度的通道达到之前，他们被摧毁。这些估计表明，占主导地位的通道流通常会驱动磁盘的磁场的热强度。这些流动的突出性和它们的破坏对模拟提出了巨大的要求，但是在它们的初始阶段，通道也提供了对数字代码的有用检查。考虑到对分层MRI饱和度的兴趣日益增加，这些基准尤其有价值。最后，我们推测在原恒星和矮新星磁盘的“失控”通道流和爆发行为之间的潜在联系。
2010-04-01 astro-ph.HE
Magnetorotational Turbulence and Dynamo in a Collisionless Plasma
我们提出的结果，从第一个三维动力学数值模拟的磁旋转湍流和发电机，使用本地剪切盒模型的碰撞吸积盘。动力学磁旋转不稳定性的增长从一个亚热磁场具有零净通量的计算域，以产生自持湍流和向外角动量输运。显著的麦克斯韦和雷诺应力伴随着由场对准离子压力各向异性产生的可比粘性应力，其主要由通过粒子捕获和俯仰角散射的镜和离子回旋不稳定性来调节。后者赋予等离子体的有效粘度是偏置的磁场方向和时空可变的。能谱表明，在大尺度上的阿尔文波级联和动力阿尔文波级联在小尺度上，具有强的小尺度密度波动和弱的非轴对称密度波。离子经历非热粒子加速，它们的分布由卡帕分布精确描述。这些结果对低碰撞性吸积流的性质有影响，例如银河系中心黑洞附近的吸积流。
2016-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational Explosion of A Massive Star Supported by Neutrino Heating in General Relativistic Three Dimensional Simulations
我们提出的三维（3D），辐射磁流体动力学（MHD）模拟的核心坍缩超新星在完整的广义相对论（GR）与光谱中微子输运的结果。为了研究祖先星自转和磁场的影响，我们计算了三个模型，其中参数化地包含了20 M $_{\odot}$星的坍缩前自转速率和磁场。虽然我们在我们的模拟时间内（反弹后的$\sim500$ ms）没有发现我们的两个非磁化模型中的激波复兴，但在我们的快速旋转和强磁化模型中，磁旋转（MR）驱动的激波膨胀在反弹后立即启动。我们表明，膨胀的MR驱动的流向极方向主要是由磁压驱动，而冲击膨胀向赤道方向是由中微子加热。我们的详细分析表明，所谓的扭结不稳定性的增长可能会阻碍准直射流，导致更广泛的外流的形成。此外，我们还发现只有在MR爆炸模型中才有轻子数的偶极辐射，其不对称性与爆炸形态相一致。虽然它是类似的轻子数发射自持不对称（LESA），我们的分析表明，偶极发射发生的质子中子星对流区，但从上面的中微子球表明，它是不相关的LESA。我们还报告了几个独特的中微子签名，这是显着依赖于时间和视角，如果观察到，可能提供了丰富的信息关于MR驱动的爆炸的开始。
2020-05-12 astro-ph.HE
Stratified Simulations of Collisionless Accretion Disks
本文在新近发展起来的能处理有限非旋向性压力张量的动力学磁流体力学（MHD）框架下，对无碰撞吸积盘进行了一系列分层剪切盒模拟。虽然一个完全动力学模拟预测一个更有效的角动量输运在无碰撞磁盘比在标准的MHD制度，增强的运输尚未观察到在过去的动力学MHD方法，以gyrotropic压力各向异性。为了研究完全动力学和MHD处理之间的这一缺失环节，本文注意到非回转压力的作用，并首次尝试将某些无碰撞效应纳入盘尺度，分层盘模拟。当回转取向的时间尺度大于或等于轨道盘的旋转频率时，我们发现选择性地保留在电流片附近的有限非回转取向有助于抑制剪切盒系统中的磁重联.这将导致磁旋转不稳定性驱动的MHD湍流的饱和振幅和角动量输运的合成效率的增加。我们的研究结果似乎有利于快速平流磁场向旋转轴的中心对象，这是需要从黑洞吸积系统，例如，磁逮捕磁盘状态发射超相对论性喷流。
2017-05-18 astro-ph.HE
Global simulations of magnetorotational turbulence I: convergence and the quasi-steady state
磁旋转湍流为吸积盘中的角动量输运提供了一种可行的机制。我们提出了全球性的，三维（3D），MHD吸积盘模拟，调查分辨率的湍流应力的依赖性。收敛的时间和体积平均应力-气体压力比，在值为$\sim0.04$，被发现的模型与径向，垂直和方位角分辨率为12-51，27，和12.5细胞每刻度高度（模拟网格是这样的细胞每刻度高度在径向方向上变化）。对盘的主体（|z| <2 H）进行控制体积分析，以检查磁能的产生和去除。麦克斯韦应力与平均磁盘旋转相结合，主要负责磁能的产生，而湍流耗散（由数值电阻率促进）主要是从磁盘中删除磁能。根据控制体积的边界上的麦克斯韦应力和控制体积内的洛伦兹力注入的功率来重新铸造磁能方程，突出了（控制体积的）边界条件的重要性。剪切盒和整体吸积盘模拟的不同收敛性质可以很容易地理解的基础上选择的边界条件和磁场配置。周期性边界条件限制了磁场中大尺度梯度的建立，限制了通过洛伦兹力和表面应力传递到磁盘的功率。这一发现解释了我们的全球盘模型相比，分层剪切盒的湍流应力收敛所需的三个较低的分辨率的因素。（节录）
2013-07-08 astro-ph.HE
Magnetic amplification in premerger neutron stars through resonance-induced magnetorotational instabilities
本研究发现双中子星并合前的潮汐共振可通过磁旋转不稳定性在恒星壳层生成强磁场，为伽马射线前兆耀发及并合后遗迹磁能提供解释。
2024-05-15 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Saturation of the magnetorotational instability in the unstratified shearing box with zero net flux: convergence in taller boxes
以前的研究中的一个特定类型的剪切盒模型的非线性制度的磁旋转不稳定性-未分层，没有净磁通量-发现，没有明确的耗散（粘度和电阻率）的饱和振幅随数值分辨率的增加而减小。我们发现，这一结果是强烈依赖于计算域$L_z/L_x$的垂直纵横比。当$L_z/L_x\lesssim 1$，我们恢复以前的结果。然而，当垂直域扩展到$L_z/L_x \gtrsim 2.5$时，我们发现应力的饱和水平大大增加（给出应力与压力之比$α\gtrsim 0.1$），而且结果与数值分辨率无关。与以前的结果相一致，我们发现，饱和的MRI在这个制度是由一个循环发电机，产生补丁的强环向场，开关的符号在垂直方向上的尺度$L_x$。我们推测，当$L_z/L_x\lesssim 1$，发电机被抑制的垂直域的小尺寸，导致令人费解的饱和振幅分辨率的依赖性。我们表明，以前的玩具模型开发来解释MRI发电机与我们的研究结果是一致的，并且在分层剪切盒模拟（导致所谓的蝴蝶图）中观察到的环形场的循环模式也可能是相关的。在高框的饱和振幅是不敏感的显式耗散是否包括在计算中，至少对于大的磁雷诺数和普朗特数。最后，我们表明MRI湍流在高域有一个较小的临界$\rm{Pm}_c$，和延长的寿命相比，$L_z/L_x\lesssim 1$框。
2015-12-03 astro-ph.HE
Resistivity-driven State Changes in Vertically Stratified Accretion Disks
利用Athena程序对垂直分层吸积盘中的磁旋转不稳定性（MRI）进行了局域模拟，研究了剪切粘性和欧姆电阻率对MRI的影响.首先，我们使用一系列的非分层模拟来校准物理耗散作为分辨率和背景场强度的函数;磁普朗特数Pm =粘度/电阻率对湍流的影响被每个磁盘尺度高度H的~32个网格区域捕获。与以前的结果一致，我们的分层磁盘计算的特点是由一个亚热，占主导地位的环形磁场，产生MRI驱动的湍流|z| < 2 H。高于|z| = 2 H，磁压占主导地位，磁场是不稳定的。大规模的径向和环形场也产生附近的中平面，随后通过磁盘上升。这个平均场的极性在大约10个轨道周期的过程中切换，这个过程可以用α-ω发电机很好地模拟。湍流应力增加与PM，但与非分层模拟相比，具有较浅的依赖性。对于足够大的电阻率，在cs H/1000的数量级上，其中cs是声速，中平面的2 H内的MRI湍流经历电阻衰减然后再生长的周期。这种再生长是由通过发电机的环向场的放大引起的。这个过程导致在10至100轨道时间尺度上的应力的大幅变化，这可能与观察到具有高和低吸积状态的部分电离盘有关。
2011-01-31 astro-ph.HE
Local Study of Accretion Disks with a Strong Vertical Magnetic Field: Magnetorotational Instability and Disk Outflow
我们进行了三维垂直分层的局部剪切盒理想磁流体力学模拟的磁旋转不稳定性（MRI），其中包括一个净垂直磁通量，其特征在于β_0（气体压力比磁压力的净垂直场在中平面）。我们考虑了β_0 =10^2、10^3和10^4，在前两种情况下，最不稳定的线性MRI模式在模拟中得到了很好的解决。我们发现MRI湍流的行为强烈地依赖于β_0：角动量的径向输运随着净垂直通量的增加而增加，当β_0 =10^4时，α =0.08，当β_0 =100时，α>1.0，其中α是Shakura-Sunyaev参数。一个临界值位于β_0 =10^3：当β_0>10^3时，盘由气压主导的中平面和磁主导的日冕组成。湍流强度随净通量的增加而增加，角动量输运主要由湍流脉动控制。导致大尺度磁场周期性翻转的磁力发电机仍然存在，但随着净通量的增加，它变得更加分散。当beta_0<10^3时，整个磁盘变成磁主导的。湍流强度饱和，磁力发电机熄灭。随着净通量的增加，产生了更强的大尺度场，这主导了角动量输运。由于磁离心机制的作用，一个强的外流从盘中发射出来，质量通量随净垂直通量线性增加，并在β_0 =10^2时显示出饱和迹象。然而，外流不太可能与全球风直接相关：当β_0>10^3时，由于发电机活动，大尺度场没有永久的弯曲方向，而当β_0 <10^3时，来自盘顶和盘底的外流向相反的方向弯曲，与物理盘风几何形状不一致。需要进行全球模拟，以解决外…
2013-02-17 astro-ph.HE
Magnetorotational instability with smoothed particle hydrodynamics
我们提出了一个彻底的数值研究的MRI使用平滑粒子磁流体动力学方法（SPMHD）的几何密度平均力表达式（GDSPH）。我们进行剪切盒模拟不同的初始设置和广泛的分辨率和耗散参数。我们表明，第一次，MRI与持续的湍流可以成功地模拟SPH，结果与以前的工作与基于网格的代码一致。特别是，对于分层的盒子，我们的模拟再现了至少100个轨道的饱和湍流的MRI发电机的特征蝴蝶图。相反，传统的SPH模拟遭受失控的增长和发展非物理大方位场，类似于最近的研究结果与无网格方法。我们研究了MRI湍流对SPH中数值普朗特数的依赖性，重点是非分层，零净通量的情况。我们发现，湍流只能维持与普朗特数大于$\sim$ 2.5，类似的临界值的物理普朗特数在网格代码模拟。然而，不同于基于网格的代码，在SPH的数值普朗特数增加的分辨率，并为一个固定的普朗特数，所产生的磁能和应力是独立的分辨率。对所有模拟进行平均场分析，得到的输运系数表明在非分层情况下没有$α$效应，但在分层介质中有一个活跃的$αΩ$发电机和抗磁泵效应，这与以前的研究基本一致。在我们的模拟中没有明确的剪切电流发电机的迹象，这可能是负责一个较弱的平均场增长在高大，无分层，零净通量模拟。
2021-05-03 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Stratified Global MHD Models of Accretion Disks in Semi-Detached Binaries
我们提出的第一个全球磁流体动力学（MHD）模拟的结果吸积盘由罗氏瓣溢出，包括垂直分层，以调查的作用，螺旋冲击，磁旋转不稳定性（MRI），吸积流盘的结构和演化。我们的模型包括一个简单的气体热力学处理，轨道马赫数在磁盘的内边缘$M_{\rm in}$的5和10。我们发现质量吸积率在所有时间尺度上变化很大，只有马赫5模型达到一个明确的准稳态。对于马赫数10，该模型经历了一个由外向内的磁驱动吸积事件发生的时间尺度上的$\sim10$轨道周期的二进制。两种模型都表现出相对于二元平面倾斜的螺旋激波，它们的位置和倾斜度变化迅速。然而，这些冲击在赤道平面的时间平均位置是很好的拟合简单的线性模型。磁盘中的MRI湍流产生环形磁场图案（蝴蝶图），在某些情况下是不规则的，可能是由于与螺旋结构的相互作用。虽然我们的许多结果与当地的研究是很好的协议，我们发现一些功能（最显着的螺旋冲击相关）只能在全球模型，如这里研究。因此，虽然全球研究仍然是计算昂贵的-即使作为理想化的模型-他们是必不可少的（随着辐射传输和磁盘热力学更复杂的治疗），以促进我们的理解在二元系统中的吸积。
2020-10-03 astro-ph.HE
Numerical simulations of the magnetorotational instability in protoneutron stars: I. Influence of buoyancy
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是快速旋转质子中子星磁场放大的一种很有前途的机制。与吸积盘相反，由熵和轻子分数梯度驱动的径向浮力预计具有与旋转和剪切一样重要的动力学作用。我们调查的浮力的MRI的非线性相位的影响知之甚少，通过三维数值模拟的本地模型在赤道平面的质子中子星。Boussinesq近似的使用使我们能够利用剪切箱模型与干净的剪切周期性边界条件，同时考虑到径向熵和成分梯度驱动的浮力。我们发现，显着更强的湍流和磁场在不稳定的流动。另一方面，浮力只有有限的影响湍流的强度和磁场放大的粘性稳定的流动中存在的一个现实的热扩散。然而，在后一种情况下，湍流的性质受到显著影响。特别是，相对于极向分量，磁场和速度的环向分量变得更加占主导地位。此外，我们观察到在稳定的浮力制度的长期生活的连贯结构，如通道流和纬向流的形成。总的来说，我们的研究结果支持的能力，MRI放大磁场显着，即使在稳定分层区域的质子中子星。
2015-04-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
On characterizing nonlocality and anisotropy for the magnetorotational instability
吸积盘中的角动量输运在多大程度上主要是局部的或非局部的，以及是什么决定了这一点，是理解吸积引擎的一个重要研究途径。沿着这条道路走一步，我们分析模拟的磁旋转不稳定性（MRI）计算能量和应力功率谱分层等温剪切盒模拟在几个新的方式。我们将盒子分为两个区域，盘和冠，其中盘是MRI不稳定区域，冠是磁主导区域。我们计算了不同数量的分数功率，包括磁能和麦克斯韦应力，发现它们主要由最低波数的贡献。这是更戏剧性的日冕比光盘，表明在日冕区域的运输是由更大的结构比光盘。通过计算平均功率谱在一个方向上的$k$空间的时间，我们还表明，MRI湍流是强烈的各向异性的大尺度时，用这种方法分析，但各向同性的小尺度。虽然剪切盒本身是为了代表吸积盘的局部部分，但应力和能量由最大尺度主导的事实突出了局部性并没有被捕获在盒内。这有助于量化全球模拟对解决运输局部性问题的直观重要性，对此可以进行类似的分析。
2014-04-09 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Convection Causes Enhanced Magnetic Turbulence in Accretion Disks in Outburst
我们提出的本地，垂直分层，辐射磁流体剪切盒模拟MRI湍流适合矮新星和软X射线瞬态爆发的氢电离制度的结果。我们采用了频率积分不透明度和状态方程，但忽略了非理想的MHD效应和表面辐照，不施加净垂直磁通量。我们发现两个稳定的热平衡轨道的有效温度与表面质量密度的平面，在定性协议与标准盘不稳定性模型的S曲线图片。我们发现，在$10^4$ K附近的温度下，氢电离过渡的必然结果，大的不透明度，触发强，间歇性的热对流上稳定的分支。这种对流加强了磁湍流发电机，并极大地提高了应力与热压力比$α$的时间平均值，这可能是通过产生垂直的磁场，这可能会导致轴对称的磁旋转不稳定性，并通过增加冷却，使压力不会与湍流耗散成比例地上升。这些增强的应力压力比可以减轻在爆发状态下观测推断的$α$值与从先前的缺乏净垂直磁通量的磁旋转湍流的局部数值模拟中测量的那些值之间的数量级差异。
2014-04-11 astro-ph.HE
Magnetorotational dynamo can generate large-scale vertical magnetic fields in 3D GRMHD simulations of accreting black holes
本文首次在三维全局GRMHD模拟中识别并量化了由MRI非线性演化驱动的吸积黑洞大尺度垂直磁场发电机机制，揭示磁环平流的关键作用，并指出传统α-发电机模型不足，需用剪切流效应或随机α-发电机描述。
2023-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR
Wind-driven Accretion in Protoplanetary Disks. I: Suppression of the Magnetorotational Instability and Launching of the Magnetocentrifugal Wind
我们进行本地，垂直分层剪切盒MHD模拟原行星盘（PPD）的基准半径为1 AU，考虑到欧姆电阻率和双极扩散（AD）的影响。的磁扩散系数进行评估自洽从一个查找表的基础上平衡化学。我们首先表明，列入AD显着改变了传统的分层吸积的图片。没有净垂直磁场，系统演变成一个环向场占主导地位的配置与极弱的湍流在远紫外电离层，是太低效，以驱动快速吸积。在存在弱的净垂直场（中平面处的等离子体β ~ 10 ^5）的情况下，我们发现MRI被完全抑制，导致在整个盘的垂直范围内完全层流。一个强大的磁离心风发射，有效地带走磁盘角动量，很容易占所观察到的吸积率在PPD。此外，在物理盘风的几何形状下，所有的吸积流通过一个强电流层的厚度为~0.3H，是从磁盘中平面偏移的径向速度高达0.4倍的声速。欧姆电阻率和AD对于抑制MRI和风发射都是必不可少的。风的传输效率随着净垂直磁通量和FUV电离穿透深度的增加而增加。我们的层流风解对行星的行星形成和全球演化有重要意义。
2013-04-03 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Simulating the magnetorotational instability on a moving mesh with the shearing box approximation
本文将运动网格代码AREPO与Dedner散度清除用于剪切盒MRI模拟，验证线性增长、零净通量湍流、发电机及分层结构，并表明其适合全局盘和大密度变化问题。
2023-09-27 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.IM
A global model of the magnetorotational instability in protoneutron stars
磁星是一种高度磁化的中子星，其磁偶极子的范围从$10^{14}$到$10^{15}$ G。磁共振成像被认为是一种很有前途的机制，可以放大快速旋转的质子中子星的磁场，形成磁星。这种情况得到了许多当地研究的支持，这些研究表明，磁场可以在小范围内被MRI放大。然而，MRI产生偶极场的效率仍然未知。为了回答这个问题，我们研究了磁共振成像发电机在一个理想化的全球模型的快速旋转质子中子星与差分旋转。我们进行三维不可压缩的磁流体模拟在球形几何与显式的扩散率的差分旋转被迫在外边界。我们改变初始磁场并研究了不同的磁边界条件。这些模拟进行了比较，局部剪切盒模拟。我们得到了一个自持湍流磁共振驱动发电机，其饱和状态与初始磁场无关。MRI产生$B \geq 2\times 10^{15}$ G的强湍流磁场和非主导磁偶极子，其系统地表示约为平均磁场强度的$5\%$。有趣的是，这个偶极子是向赤道面倾斜的。我们发现局部剪切盒模型可以相当好地再现全球MRI湍流的几个特征，如动力学和磁谱。尽管如此，局部模型中的湍流比全局模型中的更剧烈。总体而言，我们的结果支持MRI形成类磁铁大规模磁场的能力。他们还预测存在更强的小尺度磁场。由此产生的磁场可能是重要的动力突出的恒星爆炸，如超亮超新星和伽玛射线暴。
2020-11-27 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Particle Acceleration in Stratified 2D MRI Turbulence: From Reconnection to First- and Second-Order Fermi and Shear Acceleration
Millennium Nucleus on Transversal Research and Technology to Explore Supermassive Black Holes (TITANS)（探索超大质量黑洞的横向研究与技术千年核）；Departamento de Ciencias, Facultad de Artes Liberales, Universidad Adolfo Ibáñez（阿道夫·伊巴涅斯大学自由艺术学院科学系）；Departamento de Física, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile（智利大学物理与数学科学学院物理系）
本研究通过二维粒子模拟识别了分层MRI湍流中粒子加速的三个阶段（重联注入、一阶费米加速、二阶费米与剪切加速），解释了最大能量与尺度分离比成正比的原因，并表明MRI可在低光度盘中产生超相对论粒子。
2026-09-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
MRI turbulence in vertically stratified accretion discs at large magnetic Prandtl numbers
本文通过三维垂直分层等温盘局部模拟，研究大 Pm 下 MRI 湍流与发电机，给出 α 和磁场能量的 Pm 幂律标度及高 Pm 平台，并结合谱分析解释中平面与大气动力学。
2024-04-09 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetohydrodynamic convection in accretion discs
对流已经在吸积盘领域讨论了几十年，既作为角动量传输的手段，也因为它通过热传输控制盘的垂直结构的作用。如果气体被充分电离并被弱磁场穿过，对流可能以非平凡的方式与磁旋转不稳定性（MRI）相互作用。最近，垂直分层的MRI局部模拟报告了相当大的变化，角动量输运，测量的应力与热压力比$α$，当对流被认为是存在的。虽然MRI湍流可以作为对流的热源，但不清楚不稳定性如何动态地相互作用。在这里，我们的目标是调查控制数值实验中的两个不稳定性之间的相互作用，从而隔离它们的相互作用的一般特征。我们进行垂直分层，三维MHD剪切盒模拟与保守的，有限体积的代码PLUTO的完美气体状态方程。我们发现两个不稳定性之间的相互作用的两个特征的结果：直MRI和MRI/对流周期，后者表现出交替阶段的对流为主的流（在此期间的湍流运输是弱的）和MRI为主的流。在后一阶段，我们发现$α$增强了近一个数量级，达到峰值$\sim 0.08$。此外，我们发现，在非线性阶段的对流采取大尺度和振荡的对流单体的形式。对流也可以帮助MRI持续降低Rm。最后，我们讨论了我们的结果如何帮助解释模拟矮新星。
2021-04-06 astro-ph.HE astro-ph.SR
Spinning down neutron-star merger remnants with the Tayler-Spruit dynamo: Global simulations reveal the formation of massive disks and neutron-rich ejecta
California Institute of Technology（加州理工学院）；Walter Burke Institute for Theoretical Physics, California Institute of Technology（加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所）
研究通过广义相对论磁流体动力学模拟，发现Tayler-Spruit发电机可重塑中子星并合遗迹的角动量分布，形成大质量富中子吸积盘与抛射物，影响其演化与多信使特征。
2026-09-29 astro-ph.HE
Accretion disc dynamo activity in local simulations spanning weak-to-strong net vertical magnetic flux regimes
黑洞周围的强磁化吸积盘具有吸引人的特征，可以解释X射线双星行为的神秘方面。这些圆盘的结构和演化受类似发电机的机制控制，该机制将磁旋转不稳定性（MRI）释放的部分吸积功率引导到有序的环形磁场中。为了研究发电机活动，我们进行了三维，分层，等温，理想的磁流体动力学剪切盒模拟。自持环形磁场的强度取决于净垂直磁通量，我们在MRI线性不稳定的几乎整个范围内改变净垂直磁通量。我们量化的光盘结构和发电机性能的函数的初始比率的中平面气体压力垂直磁场压力，$β_0^{\rm mid} = p_{\rm gas} / p_B$。对于$10^5 \geq β_0^{\rm mid} \geq 10$，有效$α$粘度参数按幂律缩放。发电机活动持续到并包括$β_0^{\rm mid} = 10^2$，在这一点上，整个垂直柱的光盘是磁压为主。更强的磁场会导致高度不均匀的圆盘结构，并伴随着大的密度波动。我们表明，在我们的模拟中，湍流稳态$β^{\rm mid}$与Begelman等人（2015）描述环向场的产生和浮力逃逸的分析模型很好地匹配，而圆盘的垂直结构可以使用该模型广泛地再现。最后，我们讨论了我们的结果的影响，所观察到的X射线双星的属性。
2016-01-12 astro-ph.HE
MHD instabilities in accretion disks and their implications in driving fast magnetic reconnection
磁流体动力学不稳定性在吸积盘系统中起着重要的作用。除了众所周知的磁旋转不稳定性（MRI）的影响，帕克-瑞利-泰勒不稳定性（PRTI）也出现作为一个重要的机制，以帮助在吸积盘周围的日冕区域的形成，并在生产的磁重联事件类似于那些发生在太阳日冕。在这项工作中，我们进行了三维磁流体动力学（3D-MHD）剪切盒数值模拟的吸积盘与初始分层密度分布和一个强的方位角磁场之间的比例为1的顺序的热压力和磁压力。本研究旨在验证这些不稳定性在驱动湍流吸积盘/日冕系统中的快速磁重联中的作用。正如我们所预期的那样，模拟显示了由于PRTI而形成的大规模磁回路的初始形成，随后是由两种不稳定性驱动的近稳态湍流的发展。在这种动荡的环境中，我们已经采用了一种算法来识别的存在下，由遇到的磁通量绳的相反极性的湍流区域的日冕和磁盘所产生的电流片。我们计算了这些位置的磁重联率，得到了以阿尔文速度为单位的平均重联速度，在吸积盘中为$0.13 \pm 0.09$，在日冕区为$0.17 \pm 0.10$（平均峰值为$0.2$），这与磁重联理论的预测是一致的。
2018-08-09 astro-ph.HE
Global simulations of axisymmetric radiative black hole accretion disks in general relativity with a sub-grid magnetic dynamo
我们提出了一个亚网格模型，模拟磁化吸积盘中的磁发电机。我们已经实现了这个模型中的广义相对论辐射磁流体动力学（GRRMHD）代码\koral，使用局部剪切片模拟的磁旋转不稳定性的结果，以固定的发电机的参数。包括这个发电机，我们能够运行二维轴对称GRRMHD模拟的吸积盘任意长的时间。模拟磁盘表现出持续的湍流，极向和环形磁场组件驱动到一个类似的状态，在3D研究中看到的。使用这个发电机代码，我们提出了一套长期的全球模拟超爱丁顿，光学厚盘周围的非旋转和旋转黑洞。围绕非旋转黑洞的超级爱丁顿盘表现出令人惊讶的大效率，$η\approx0.04$，独立于吸积率，我们测量的总能量输出的效率，辐射和机械，流向无穷大。围绕在旋转黑洞周围的超级爱丁顿盘甚至更有效，并且似乎通过类似于Blandford-Znajek机制的过程提取黑洞旋转能量。所有的模拟模式的特点是高度超爱丁顿辐射通量沿旋转轴准直。我们还提出了一套模拟，设计有爱丁顿或稍微亚爱丁顿吸积率（$\dot{M} \lesssim 2\dot M_{\rm Edd}$）。这些模型都没有达到稳定状态。相反，这些圆盘是由于冷却失控而塌陷的，可能是由于热不稳定性。
2014-07-16 astro-ph.HE
Gravitoturbulent dynamos in astrophysical discs
天体物理圆盘中大尺度相干磁场的起源是一个重要而长期的问题。研究人员通常求助于由磁旋转不稳定性（MRI）维持的湍流发电机来提供大尺度场。但过去十年的研究特别表明，各种非理想的MHD效应会阻碍或消除MRI，特别是在原行星盘中。在本文中，我们提出了一个新的方案，即磁场的产生和维持通过引力不稳定性（GI）。我们使用3D分层剪切箱模拟来模拟发电机，并发现它在低磁雷诺数（从1到~100）下工作，冷却时间和边界条件范围很广。该过程是运动学的，具有相对较快的增长率（$< 0.1 Ω$），并且它具有平均场发电机的某些特性。磁场是通过差动旋转和螺旋密度波的组合产生的，后者提供了可压缩的水平运动和大规模的垂直滚动。在更大的磁雷诺数的大规模领域的建设是减少，而不是小规模的结构出现的扭曲磁通绳的故障。我们建议，GI可能是关键的发电机引擎不仅在年轻的原行星盘，但也在一些活动星系核和星系。
2018-10-15 astro-ph.EP astro-ph.HE
SISSI: Supernovae in a stratified, shearing interstellar medium. II. Star formation near the Sun is quenched by expansion of the Local Bubble
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik（马克斯·普朗克地外物理研究所）；Excellence Cluster ORIGINS（ORIGINS卓越集群）
SISSI项目通过分析本地气泡的扩张与恒星形成的关系，发现超新星活动抑制了太阳邻近区域的恒星形成。
2026-01-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Nonlinear energy transfers in accretion discs MRI turbulence. I-Net vertical field case
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是负责大部分的角动量输运吸积盘。然而，分子耗散过程可能会大大改变MRI湍流在现实的天体物理情况下的效率。这种依赖性的物理起源仍然知之甚少的线性和准线性理论无法解释it. In本文中，我们寻找分子耗散过程和MRI传输的角动量在非分层剪切盒模拟，包括平均垂直场之间的联系。我们表明，在我们考虑的模型中，磁螺旋度并不重要。我们进行了频谱分析的模拟跟踪能量交换时，湍流充分发展的频谱空间。我们发现，能量交换基本上是直接的（从大到小的尺度），而一些非线性的相互作用似乎是非本地的光谱空间。我们推测这些非局域相互作用是湍流输运和分子耗散之间的相关性的原因。我们认为，这种相关性，然后应该消失时，一个显着的规模分离实现，我们讨论了几种方法，可以检验这一假设。
2010-12-13 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Turbulence and Mixing in the Intracluster Medium
团内介质（ICM）在流体动力学意义上是稳定分层的，熵$s$向外增加。然而，沿磁力线的热传导从根本上改变了ICM的稳定性，导致“热通量浮力不稳定性”时，$dT/dr>0$和“磁热不稳定性”时，$dT/dr<0$。因此，不管$dT/dr$和$ds/dr$的迹象如何，ICM都是有害的不稳定的。另一方面，这些温度梯度驱动的不稳定性通过重新定向磁场（当$dT/dr>0$时垂直于$\hat{\bf r}$，当$dT/dr<0$时平行于$\hat{\bf r}$）而饱和，而不会产生持续的对流。我们表明，各向异性导电等离子体达到这种非线性稳定的磁配置后，它经历了浮力回复力，抵抗磁场的进一步扭曲。该回复力类似于稳定分层的绝热等离子体所经受的浮力回复力。我们认为，为了驱动机制（如星系运动或宇宙线浮力），以克服这种回复力，并在ICM中产生湍流，驱动的强度必须超过一个阈值，对应于湍流速度$\gtrsim 10 -100 {km/s}$。对于较弱的驱动，ICM保持在其非线性稳定的磁配置，和湍流混合是有效的缺席。我们讨论了这些发现的影响，在ICM的金属和热量的湍流扩散。
2009-09-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
MRI-driven $αΩ$ dynamo at high Pm numbers
本研究通过分层剪切盒模拟和新技术计算发电机系数，探讨了高磁普朗特数区间下 MRI 驱动的 $αΩ$ 发电机机制，发现平均磁场及发电机系数随 Pm 增加而增强，使发电机周期缩短、增长率加快，预测磁场放大应至少增加约 5 倍。
2025-01-09 astro-ph.HE astro-ph.SR
Tayler-Spruit dynamo in stably stratified rotating fluids: Application to proto-magnetars
本研究利用 MagIC 三维 MHD 模拟考察稳定分层旋转 PNS 中的 Tayler–Spruit 发电机，验证强分层下的自持放大与 Fuller 等标度律，发现间歇性状态，并标定磁星形成及恒星角动量输运模型。
2024-07-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the Nature of Magnetic Turbulence in Rotating, Shearing Flows
在剪切盒模型的框架下，研究了旋转剪切流中由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的局部特性。基于数值模拟，我们提出MRI驱动的湍流包括两个组成部分：大尺度剪切排列的强磁场和类似磁流体动力学（MHD）湍流的小尺度波动。大尺度分量的能谱接近于$k^{-2}$，而小尺度分量的能谱则与强MHD湍流$k^{-3/2}$的能谱一致。虽然波动的频谱是普遍的，但湍流的外尺度特征不是;它们取决于系统的参数，如净磁通量。然而，所允许的湍流状态之间存在着显著的普适性--它们的强度$v_0$和外尺度$λ_0$满足平衡条件$v_0/λ_0\sim \mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$，其中$\mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$是流动的局部轨道剪切率。最后，我们发现没有持续的发电机行动中的$\mathrm{Pm}=1$零净通量的情况下，雷诺数高达$45\,000$，铸造怀疑存在的MRI发电机在$\mathrm{Pm}\leq 1$制度。
2015-12-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Viscous and Resistive Effects on the MRI with a Net Toroidal Field
在局部天体物理盘模型中，电阻率和粘滞性在确定磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流中的能级方面具有重要作用。本研究使用Athena程序来描述在具有净环形磁通量的非分层剪切箱模拟中恒定剪切粘度ν和欧姆电阻率η的影响。先前用ZEUS程序对净磁场为零的剪切盒进行的研究发现，当磁普朗特数P_m = ν/η低于P_m \sim 1时，湍流消失;当P_m \gtrsim 1时，时间和体积平均应力水平随P_m增加。我们用Athena重复这些实验，得到了一致的结果。接下来，粘度和电阻率的环向场MRI的影响进行了研究，无论是线性增长和充分发展的湍流。在线性区域，足够大的ν或η可以阻止MRI的增长，而P_m本身对线性扰动的增长几乎没有直接影响。通过将一系列的ν和η值应用到由存在背景环向场的充分发展的湍流组成的初始状态，我们研究了它们在完全非线性系统中的作用。在这里，增加的粘度增强了湍流，并且只有当电阻率高于临界值时湍流才衰减;与零净场模型相反，即使当P_m < 1时湍流也可以持续。虽然我们发现初步证据表明，当ν和η变得足够小时，应力收敛到一个小范围的值，但对于相对较大的η和ν，耗散项对MRI驱动的湍流的影响是显著的，与场的几何形状无关。
2009-10-22 astro-ph.HE astro-ph.SR
Nonlinear transverse cascade and sustenance of MRI-turbulence in Keplerian disks with an azimuthal magnetic field
利用剪切盒模拟方法研究了具有非零净方位磁场的开普勒圆盘中由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的磁流体动力学湍流。不同于以往的研究，我们分析湍流动力学傅立叶（${\bf k}$ -）空间，以了解其支持。磁共振成像的线性增长具有瞬态特性，在傅立叶空间中是各向异性的，从而导致非线性过程在傅立叶空间中的各向异性。其结果是，主要的非线性过程似乎是一种新型的角度重新分布模式在傅立叶空间-的\emph{nonlinear transverse cascade} -而不是通常的直接/逆级联。我们表明，湍流是持续的相互作用的线性瞬态增长的MRI（这是唯一的能量供应的湍流）和横向级联。这两个过程在大的长度尺度上运行，相当于盒子大小，相应的小波数区域，在傅立叶空间中称为\emph{vital area}，对于维持至关重要，而在重要区域之外，直接级联占主导地位。傅立叶空间中的线性和非线性过程的相互作用通常过于交织，无法生动地图示。尽管如此，我们揭示了\emph{basic subcycle}的支持，清楚地表明这些过程的协同作用，在磁化流系统的自组织。这种协同作用是相当稳健的，并且对于所考虑的模拟盒的不同纵横比持续存在。这些盒子中的动力学过程的光谱特征是定性相似的，表明MRI湍流的维持机制的普遍性。
2017-07-21 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Rapid, strongly magnetized accretion in the zero-net-vertical-flux shearing box
本文发现零净垂直磁通剪切盒存在两种湍流态，重点研究由强方位角磁场触发的低β态，该态具有强磁化中平面和高效角动量传输，可解释观测与理论矛盾及天体状态转变。
2025-04-14 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
MRI Turbulence versus $α$-Viscosity in Circumbinary Disks: Implications for Gravitational-Wave Dephasing and Accretion Variability
Center for Cosmology and Particle Physics, Physics Department, New York University（纽约大学物理系宇宙学与粒子物理中心）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（西蒙斯平顿研究所计算天体物理学中心）
通过Athena++模拟对比环绕双黑洞盘的HD与MHD过程，发现MHD力矩更大、变异性更强，对引力波相移和吸积变异性的影响与α盘模型存在显著差异。
2026-10-14 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
