Generalized general-relativistic magnetohydrodynamic equations for plasmas of active galactic nuclei in the era of the Event Horizon Telescope
广义相对论磁流体动力学（Generalized General-Relativistic Magnetohydrodynamic，简称GRMHD）方程已被用于研究特定的相对论等离子体现象，如相对论磁重联或非理想磁流体效应对波传播的影响。然而，广义欧姆定律中的“Theta”项，它表示组成等离子体的两种流体之间的能量交换，尚未在这些方程中确定。本文从广义相对论欧姆定律本身出发，确定了“Theta”项。这提供了广义GRMHD方程的封闭性，产生相对论等离子体方程的封闭系统。根据该方程组，我们揭示了非理想磁流体现象的特征尺度，阐明了理想GRMHD方程的适用条件。利用事件视界望远镜的观测数据，对M87 ~* 等离子体中非理想MHD现象的特征尺度进行了估算。
2020-08-01 astro-ph.HE
Stability analysis of a periodic system of relativistic current filaments
由韦伯型双折射不稳定性产生的电流丝的非线性演化是空间和实验室等离子体物理中的一个主要研究课题。本文研究了逆流对等离子体中稳态周期非线性电流丝链的稳定性。我们利用相对论四流体模型，并应用Floquet理论计算了空间周期系统的二维不稳定本征模。我们研究了三种不同的情况，其特征在于不同程度的非线性和不对称的等离子体流之间：弱非线性对称系统，倾向于纯横向合并模式;强非线性对称系统，占主导地位的相干漂移扭结模式的横向周期等于，或未扰动丝的整数分数;一个适度的非线性非对称系统，受到扭结和聚束型扰动的混合。数值计算的本征模的增长率和配置文件同意在细胞中的粒子模拟结果。此外，我们推导了对称双光束系统中主导的平行合并不稳定性和漂移扭结不稳定性之间的转换的解析判据。
2018-06-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
$\mathtt{Entity}$ -- Hardware-agnostic Particle-in-Cell Code for Plasma Astrophysics. II: General Relativistic Module
Flatiron Institute（西蒙斯平流层研究所）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of Maryland（马里兰大学）；Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland（马里兰大学电子与应用物理研究所）；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, CNES, UPS（图卢兹大学/法国国家科学研究中心/法国国家空间研究中心/UPS IRAP研究所）
Entity代码的广义相对论模块实现了在强引力场中模拟相对论性磁化非碰撞等离子体的能力，适用于黑洞周围的轴对称模拟。
2025-11-21 astro-ph.HE
Analytic solution for kinetic equilibrium of beta-processes in nucleonic plasma with relativistic pairs
给出了描述相对论对核子等离子体中$β$过程动力学平衡的解析解。核子$(n,p)$被认为是非相对论性和非简并性的，而电子和正电子由于高温（$(T>6\cdot 10^9$ K）或高密度（$(ρ>μ10^6$ g/cm $^3$）或两者都是超相对论性的，其中$μ$是每个电子的核子数。费米函数的高斯表示。电子化学势和每个初始电子的核子数作为$ρ$和$T$的函数计算。
2012-04-27 astro-ph.HE
Generalized General Relativistic MHD Equations and Distinctive Plasma Dynamics around Rotating Black Holes
为了研究旋转黑洞周围的等离子体现象，我们导出了一组3+1形式的广义相对论磁流体动力学（GRMHD）方程。特别地，我们研究了广义相对论现象与欧姆定律。我们证实了黑洞附近等离子体中由于引力、离心力和标架拖曳效应而产生的电动势。与天体物理学物体的尺度相比，这些影响仅在局部小尺度现象中才有意义。我们讨论了磁重联的可能性，它是由这些影响之一，在一个小规模的区域，并影响全球的等离子体。阐明了广义GRMHD、标准电阻GRMHD和理想GRMHD对黑洞磁层等离子体的适用条件。
2009-12-26 astro-ph.HE
Collisionless tearing instability in a relativistic pair plasma with a power-law distribution function
本文研究具有幂律分布的相对论对等离子体电流片撕裂不稳定性，结合解析增长率估算与考虑重联层内精确粒子轨道的色散方程数值求解，发现粒子能谱变硬会抑制不稳定性。
2024-08-16 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
Electrostatic and magnetic instabilities in the transition layer of a collisionless weakly relativistic pair shock
天体物理喷流的高能电磁辐射，如大质量恒星坍缩时发射的并触发伽马射线暴（GRB）的喷流，部分归因于相对论性内部冲击。激波是由逆流粒子束的不稳定性在无碰撞等离子体中介导的。只有当光束以相对论性的相对速度运动时，才能产生最快的位移不稳定性。在这里，我们用粒子单元（PIC）模拟两个冷对云在c/2（c：光速）速度下的碰撞。我们证明了双流不稳定性超过了这个速度的平行不稳定性，从而负责激波的形成。上游等离子体的准静电波的不完全热化允许其他不稳定性的增长。激波过渡层的形成，其中一个平行不稳定性调制的等离子体远上游的冲击。上游流入的等离子体逐渐加热的双流不稳定性更接近的冲击和压缩到预期的下游密度的韦伯不稳定性。由于后者产生的强磁场被限制在10个电子趋肤深度宽的层内。
2017-09-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron slingshot acceleration in relativistic preturbulent shocks explored via emitted photon polarization
本文利用粒子模拟研究相对论性无碰撞激波形成初期的电子弹弓加速机制，揭示其与光子偏振特征的反直觉关联，证明光子偏振可用于探测瞬态动力学。
2023-11-30 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative diagnostics for sub-Larmor scale magnetic turbulence
本文讨论了高能量密度等离子体的辐射诊断。我们提出高能粒子在小尺度磁场湍流中产生的辐射可以用来推断湍流磁场的某些性质。这些湍流可以发生在激光等离子体实验、无碰撞冲击和磁重联中。通过这种湍流传播的粒子会遇到局部的强磁场，但其长度比粒子回旋半径短得多。因此，粒子被加速，但不偏离实质上从一条直线path.We开发的一般抖动辐射解决方案，这种情况下，并表明，所产生的辐射是直接依赖于频谱分布的磁场通过该粒子传播。我们证明了这种方法的力量，在考虑粒子移动通过一个区域，在该区域中（韦伯）的不稳定性增长随机取向的磁场在一个平面上横向逆流粒子种群的辐射。我们计算的频谱，可以看出，从原来的粒子人口，并可以看到，通过使用准单能电子束探测湍流区在不同的角度的平行轴。
2011-06-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic QED Plasma at Extremely High Temperature
利用高温量子电动力学（QED）重整化方案计算了早期宇宙相对论等离子体的有效参数。QED的重整化常数起着理论的有效参数的作用，可以用来确定介质的集体行为。我们明确地表明，介电常数，磁电阻率，德拜长度和等离子体频率依赖于早期宇宙的温度。计算了早期宇宙中极高温度下QED等离子体的传播速度、折射率、等离子体频率和德拜屏蔽长度。通过计算还发现了相对论等离子体的有利条件。
2016-07-01 astro-ph.HE hep-ph
Eigenmodes in an ultra-relativistic ultra-magnetized pair QED-plasma
University of Kansas（堪萨斯大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
研究超强磁场和相对论温度对超相对论电子-正电子等离子体（电荷中性及非中性）中正常等离子体模式的联合修正，发现等离子体频率截止降低导致相对论和场致透明，以及电磁波折射率的温度无关修正。
2026-06-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Response of a Relativistically Streaming Pulsar Plasma
本文推导了相对论性流动、强磁场脉冲星等离子体的响应张量，用于处理波色散，并考虑了相对论性流动、Lorentz因子分布和cyclotron共振，理论可应用于pulsars和magnetars的广义Faraday旋转。
2024-08-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative cooling induced coherent maser emission in relativistic plasmas
本文通过从头算高分辨率动理学模拟，首次揭示强磁化介质中经历同步辐射冷却的相对论性等离子体可经由电子回旋脉泽不稳定性自发产生相干线偏振辐射，且辐射损失延长了相干放大持续时间，为脉冲星发射和快速射电暴等天文现象提供了新解释。
2024-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dispersion Relations for Bernstein Waves in a Relativistic Pair Plasma
完全相对论性地处理电子-正电子对等离子体中的伯恩斯坦波，由于问题的性质非常复杂，一直是一项艰巨的任务。在这篇文章中，我们进行围道积分的介电响应函数和数值计算的色散曲线的均匀，磁化，相对论性的电子-正电子对等离子体。的行为的分散体解决方案的几种情况下，不同的等离子体温度突出显示。特别是，我们发现两个波模式，只存在于大的波长和频率类似的回旋频率在适度相对论对等离子体。这里提出的结果有重要的影响，这些对象的研究中，一个热的磁化电子-正电子等离子体在产生所观察到的辐射中起着重要的作用。
2009-08-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulence and particle acceleration in a relativistic plasma
在无碰撞等离子体中，湍流会强烈影响等离子体粒子的能量分布函数。特别是，它可以在高能量下发展出非热幂律尾。我们认为，最初的相对论性强的磁扰动（磁化参数$σ\gg 1$）的湍流迅速演变成一个超相对论等离子体温度，但温和的相对论性湍流波动的状态。我们提出了一个唯象和数值研究表明，在这种情况下，指数$α$的幂律粒子能量分布函数，$f(γ)dγ\propto γ^{-α}dγ$，依赖于磁压缩湍流。我们对标度指数$α$的解析预测与数值计算结果吻合得很好。
2021-12-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The influence of the mass-ratio on the acceleration of particles by filamentation instabilities
几乎所有高能粒子和光子的来源都与喷流现象有关。这种高度相对论性外流的主要来源是脉冲星风和活动星系核。目前对这些射流的理解是假设稀释等离子体是最好的动力学现象。在这种动力学描述中，粒子加速到超相对论速度可以发生在完全非磁化和中性等离子体中，通过插入不稳定性的影响。尽管粒子谱的形态和性质在一定程度上得到了理解，但喷流的成分仍然未知。虽然坡印廷通量主导的喷流肯定是由电子-正电子等离子体组成的，但对活动星系核喷流中控制物理的理解大多不清楚。本文研究了电子-正电子-质子等离子体的组成元素在基本质量比m_p/m_e变化时的不同行为。利用完全相对论三维粒子模拟方法研究了电子-正电子-质子等离子体中初始未磁化的逆流等离子体，研究了质量比对粒子加速和磁场产生的影响。我们覆盖了质量比m_p/m_e在1和100之间的范围，其中一个流中的粒子数组成为n_{p^+} / n_{e^+}为1，在另一个流中仅注入质子，而电子存在于两者中以保证模拟箱中的电荷中性。我们发现，随着质子质量的增加，不稳定性需要更长的时间来发展，质量比> 20的粒子似乎是在两个阶段，这可以解释为不同物种的个人不稳定性加速。这意味着，对于高质量比，电子/正电子与较重质子之间的耦合（在低质量比下发生）消失了。
2010-07-12 astro-ph.CO astro-ph.HE
Collisionless tearing instability in relativistic non-thermal pair plasma and its application to MHD turbulence
本文研究相对论性非热正负电子等离子体中幂律分布下的无碰撞撕裂不稳定性，揭示粒子谱硬化和无力极限对增长率的影响，并将其应用于MHD湍流，推导出不稳定涡旋尺寸及临界磁化参数。
2024-10-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Generalized Relativistic Magnetohydrodynamic Equations for Pair and Electron-Ion Plasmas
在相对论双流体近似下，导出了电子-$^\pm$对等离子体和电子-离子等离子体的单流体方程，揭示了它们行为的相对论性质。在相对论性单流体方程的基础上，假设简单的条件，提出了满足因果关系的广义相对论性磁流体动力学方程。我们示出这些方程的线性分析关于各种等离子体波，以显示这里导出的广义RMHD方程的有效性，并揭示对等离子体和电子-离子等离子体的独特性质。不同的性质涉及（i）电荷的惯性效应，（ii）电流的动量，（iii）相对论性霍尔效应，（iv）热电动势，以及（v）两种流体之间的热化能量交换。利用推广的RMHD方程，我们还阐明了使用标准RMHD方程的条件以及对等离子体和电子-离子等离子体需要不同的RMHD方程。只有当两种流体的相对速度是非相对论性的，两种流体的焓密度之差远小于总焓密度时，标准的RMHD才是有效的，并且电子-离子对等离子体的上述特性可以忽略不计。我们讨论了适用于黑洞磁层中电子对和电子-离子等离子体的广义相对论方程。我们求出了旋转黑洞的有效电阻率。
2009-02-25 astro-ph.CO astro-ph.HE
Synchrotron-driven instabilities in relativistic plasmas of arbitrary opacity
本文研究相对论性等离子体在光学厚度增加时同步辐射驱动不稳定性的变化，通过扩展Fokker-Planck算子至完全相对论情形，发现高能电子光子易逃逸，并确定控制不透明度的关键参数，表明高不透明度下等离子体趋于各向同性与稳定。
2024-07-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electromagnetic fluctuations and normal modes of a drifting relativistic plasma
本文给出了用Maxwell-Jüttner分布函数描述的相对论平衡等离子体中电磁涨落功率谱的精确计算。我们考虑波矢平行或垂直于等离子体平均速度的情况。腔下和腔上波动的相对贡献进行了评估。在每种情况下的空间波动谱的解析表达式。这些理论结果进行了比较粒子在细胞模拟，显示出良好的再现的亚光速波动光谱。
2013-12-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Spectra of magnetic turbulence in a relativistic plasma
本文通过唯象分析与二维PIC模拟研究磁主导无碰撞相对论等离子体中的强Alfvén湍流，给出总能量、残余能量、动态排列及惯性区陡化谱的标度律。
2023-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
One-fluid relativistic magnetohydrodynamics equations for a two-fluid plasma with the Landau-Lifshitz radiation reaction force
在考虑辐射反作用力的情况下，基于相对论二流体等离子体，导出了一组考虑Landau-Lifshitz辐射反作用力的单流体相对论磁流体动力学方程.这些方程可用于等离子体运动的时空尺度足够大的情况。
2018-10-23 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Numerical scheme for evaluating the collision integrals for triple interactions in relativistic plasma
相对论等离子体中的二元相互作用，如库仑和康普顿散射以及对的产生和湮灭是众所周知的，并进行了详细的研究。三重相互作用，即相对论性韧致辐射、双康普顿散射、辐射对产生、三重对产生/湮灭及其逆过程，在天体物理问题和实验室等离子体中通常被认为是发射过程。它们在等离子体动力学中的作用是基本的[1]。本文提出了一种新的计算相对论等离子体中所有三重相互作用的Uehling-Uhlenbeck碰撞积分的守恒格式，该格式基于精确QED矩阵元的直接积分。热分布的反应速率进行了比较，在可能的情况下，与相应的解析表达式，表现出良好的一致性。我们的结果是相关的定量描述相对论等离子体的平衡，无论是在天体物理和实验室条件。
2020-10-27 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
One-fluid equations of general relativistic two-fluid plasma with the Landau-Lifshitz radiation reaction force in curved space
将辐射反作用力引入弯曲空间中的双流体等离子体中，得到了一组包含Landau-Lifshitz辐射反作用力的单流体广义相对论磁流体力学（GRMHD）方程。本文分析了作用于天体物理致密天体周围等离子体的辐射反应的重要性。
2019-06-21 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dissipation in Relativistic Pair-plasma Reconnection: Revisited
用粒子模拟方法研究了正负电子对等离子体中相对论性磁重联的基本性质。我们首先回顾了Hesse & Zenitani（2007）的一个问题，他们研究了X线上的动力学欧姆定律。通过对应力-能量张量的分解，我们建立了相对论性的欧姆定律。然后，新的长期，称为热流惯性项的作用，检查在PIC模拟数据。我们进一步评估了重联系统中的能量平衡。这些分析展示了物理上透明的方法来诊断相对论动力学数据。
2017-09-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
A model of global magnetic reconnection rate in relativistic collisionless plasmas
建立了一个相对论无碰撞等离子体中整体磁重联率的模型，并通过全动力学模拟进行了验证。通过考虑扩散区上游和下游的力平衡，我们证明了在强磁化等离子体中，即使当局部速率达到$\sim O(1)$且局部流入速度接近光速时，全局速率仍受一个值$\sim 0.3$的约束.所导出的模型是通用的，可应用于各种情况下的磁重联。
2016-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulent Reconnection in Relativistic Plasmas And Effects of Compressibility
本文利用三维相对论电阻磁流体力学模拟研究了湍流对相对论等离子体中磁重联的影响。我们发现，由于湍流效应类似于非相对论的情况下，重新连接率成为独立的等离子体电阻率。我们还发现可压缩湍流效应修正了非相对论不可压缩等离子体中预测的湍流重联率;当注入速度接近Alfvén速度时，重联率饱和甚至衰减。结果表明，当Alfvén马赫数达到约$0.3$时，当可压缩分量变为不可压缩模式的一半时，可压缩性不容忽视。所获得的最大重连率约为$0.05$至$0.1$，如果注入规模与片材长度相当，则其将能够达到约$0.1$至$0.2$。
2015-10-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
