An in situ comparison of electron acceleration at collisionless shocks under differing upstream magnetic field orientations
银河系宇宙射线起源的一个主要解释是年轻超新星遗迹周围无碰撞等离子体中高马赫数冲击波的加速。这方面的证据是由多波长的非热辐射提供的，这些辐射被认为与这些冲击中的超相对论电子有关。然而，依赖于上游磁场相对于当地正常的冲击波阵面（准平行/准垂直）的方向上的电子加速过程是有争议的。卡西尼号太空船在土星弓形激波的观测揭示了电子在准垂直条件下加速的例子，以及电子在准平行激波下加速的第一个现场证据。在这里，我们使用卡西尼数据，使这些不同的上游磁场制度下的局部加速电子的能谱之间的第一次比较。我们目前的数据在2008年3月8日的准垂直冲击交叉和2007年2月3日的准平行冲击交叉，强调两者都与电子加速到至少兆电子伏的能量。准垂直交叉的磁性特征具有相对尖锐的上游-下游过渡，并且在过渡附近和紧接下游处检测到高能电子。在准平行交叉处的磁跃迁不太清楚，在上游和下游遇到高能电子，并且电子能谱在~100 keV以上更硬。我们讨论了在每种情况下的加速度是否与扩散冲击加速理论一致，并建议准平行的光谱断裂是由于电子和短，大振幅的磁结构之间的能量相关的相互作用。
2017-05-31 astro-ph.HE
Magnetic field amplification by collisionless shocks in partially ionized plasmas
本文用二维混合模拟方法研究了部分电离等离子体中无碰撞激波的激波结构，激波为垂直激波，激波速度Vsh ~ 40 Va ~ 1333 km/s，上游电离分数为0.5。我们发现，大的密度波动和大的磁场波动都产生在上游和下游地区。此外，我们发现下游氢原子的速度分布有三个分量。观察到的冲击波结构表明，扩散冲击波加速可以在垂直冲击波传播到部分电离的等离子体在真正的三维系统。
2015-12-14 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
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
Long wavelength unstable modes in the far upstream of relativistic collisionless shocks
在超相对论极限下，计算了相对论粒子束与非磁化冷等离子体相互作用引起的长波动力学不稳定性的增长率。对于充分达到顶点的光束，所有的长波长模式被证明是韦伯不稳定的，并推导出一个简单的解析表达式，其增长率。对于大的横向速度扩散，这些模式变得稳定。给出了稳定性的解析条件。这些分析结果，概括了以前的文献中给出的，被证明是一致的色散方程的数值解和新的PIC模拟的结果，其中的电-磁场被限制到一个给定的k-模式。结果可以描述高能宇宙射线的相互作用，传播到相对论性无碰撞激波的远上游，与冷的非磁化上游。考虑的长波长模式可能是有效的偏转粒子和扩散冲击加速可能是重要的。结果表明，当相对论激波传播到电子-正电子对等离子体中时，这些模增长，而当相对论激波传播到洛伦兹因子为\lesssim 100的电子-质子等离子体中时，这些模被阻尼.如果这些模式占主导地位的偏转高能宇宙射线在电子-正电子冲击，有人认为，粒子加速被抑制在冲击帧能量大于下游热能的一个因素大于冲击洛伦兹因子。
2010-05-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field strength for perpendicular collisionless shocks with anisotropic upstream pressure
本文通过假设垂直流动方向温度在激波波阵面守恒来封闭 MHD 方程组，研究了上游压力各向异性垂直无碰撞激波的密度跳跃随磁场强度的变化，揭示了 MHD 无法描述的丰富行为，并与平行激波情形进行了比较。
2023-06-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Non-Thermal Electron Acceleration in Low Mach Number Collisionless Shocks. II. Firehose-Mediated Fermi Acceleration and its Dependence on Pre-Shock Conditions
已知电子加速到非热能发生在星系团和太阳耀斑的低马赫数（M<5）激波中，但电子加速机制仍然知之甚少。利用二维等离子体粒子模拟，我们在论文I中证明了电子在低马赫数（M=3）准垂直激波中通过类费米过程被有效地加速。电子在上游区域和冲击波阵面之间反弹，在冲击波处的每次反射通过冲击波漂移加速导致能量增益。上游散射由斜磁波提供，斜磁波是由冲击前逸出的电子自发产生的。在目前的工作中，我们采用额外的二维PIC模拟来解决上游斜波的性质。我们发现，波产生的冲击反射电子通过消防水龙带不稳定性，这是由各向异性的电子速度分布。我们系统地探讨波的产生和电子加速的效率如何依赖于磁场的磁化强度，流动磁化（或等效地，等离子体β），和上游电子温度。我们发现，该机制适用于冲击与高等离子体β（>20）在几乎所有的磁场强度，并为电子温度的范围内相关的星系团。我们的研究结果提供了一个自然的解决方案，从星系团的外围观测到的明亮的无线电同步辐射和低电子加速效率通常预期在低马赫数冲击之间的冲突。
2014-10-23 astro-ph.HE
Return Currents in Collisionless Shocks
本文通过粒子网格模拟研究无碰撞激波上游返回电流的中和机制，发现远上游、前兆区和激波脚区分别由静电模式、电磁流不稳定性和双流不稳定性主导，并指出激波脚区不稳定性可使电子热速度接近反射质子漂移速度，对磁场放大和电子注入加速有重要意义。
2023-12-20 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
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
The collisionless hydrodynamics: On the nonexistence of collisionless shocks
本文提出无碰撞流体动力学理论，证明1+1维静电无碰撞激波无法形成统计稳态解，并通过数值模拟证实空间中仅存在随时间线性增长的临界稳定速度分布函数连续序列。
2025-01-28 astro-ph.HE
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
Bridging the gap between collisional and collisionless shock waves
虽然流体激波的前缘只有几个平均自由程厚，但无碰撞激波的前缘可以薄几个数量级。通过碰撞和无碰撞的形式主义之间的桥梁，我们评估这两个政权之间的过渡。我们考虑非相对论，非磁化，平面冲击电子/离子等离子体。此外，我们对无碰撞区的处理仅限于高马赫数的静电激波。我们发现，过渡可以参数化的上游等离子体参数$Λ$的上游介质的耦合措施。对于$Λ\lesssim 1.12$，上游是碰撞的，即强耦合的，强激波阵面约为$\mathcal{M}_1 λ_{\mathrm{mfp},1}$厚，其中$λ_{\mathrm{mfp},1}$和$\mathcal{M}_1 $分别是上游平均自由程和马赫数。$Λ\sim 1.12$发生转变，超过该转变，对于$Λ\gtrsim 1.12$，前部为$\sim \mathcal{M}_1λ_{\mathrm{mfp},1}\ln Λ/Λ$厚。考虑到$Λ$在天体物理环境中可以达到数十亿，这使得我们能够理解无碰撞冲击波的前沿如何比平均自由程小几个数量级，以及物理学如何在这两个极端之间连续过渡。
2021-01-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Monte Carlo modelling of particle acceleration in collisionless shocks with an effective mean electric field
超新星遗迹无碰撞激波中的相对论粒子加速伴随着宇宙线（CR）驱动的等离子体不稳定性的磁场放大。贝尔的快速CR电流不稳定性的预测，产生湍流与非零平均电场的冲击前兆。我们提出了一个明确考虑有效平均上游电场的费米激波加速的蒙特卡罗模型。我们的模型是非线性的，并包括有效的费米加速对激波结构的反作用。
2019-05-24 astro-ph.HE
The extent of power-law energy spectra in collisionless relativistic magnetic reconnection in pair plasmas
使用二维粒子模拟，我们表征了相对论磁重联（无引导场）加速的粒子在无碰撞的电子-正电子等离子体中的能谱，上游磁化$σ$和系统尺寸$L$的范围很广。粒子谱由幂律$γ^{-α}$很好地表示，具有指数和超指数高能截止的组合，分别与$σ$和$L$成比例。对于大的$L$和$σ$，幂律指数$α$接近约1.2。
2015-12-22 astro-ph.HE
Density jump as a function of the field for parallel relativistic collisionless shocks
本文将强平行磁场下非相对论无碰撞激波模型扩展至相对论 regime，发现密度跃变显著偏离MHD预测并与PIC模拟吻合。
2025-06-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle Acceleration in Relativistic Magnetized Collisionless Electron-Ion Shocks
利用2.5维粒子模拟方法研究了相对论磁化无碰撞电子-离子冲击波的结构和粒子加速，离子与电子的质量比m_i/m_e为16 ~ 1000。我们探讨了冲击前磁场和冲击法线之间的倾斜角度范围。在“亚光速”激波中，相对论性粒子可以沿着磁场线在激波之前逃逸，离子通过类似费米的机制被有效地加速。下游离子谱由相对论麦克斯韦和高能幂律尾组成，其中包含约5%的离子和约30%的离子能量。斜率为-2.1。上游的电子以比离子更低的能量进入冲击波，因此它们与场的联系更紧密。因此，只有约1%的入射电子在被平流到下游之前在冲击波处被费米加速，在那里它们占据了陡峭的幂律尾部（斜率为-3.5）。对于“超光速”冲击，相对论粒子不能超越沿场的冲击，自生湍流不足以允许有效的费米加速，离子和电子下游光谱与热分布一致。由于冲击波发射到上游的强烈电磁波，入射电子被加热到与离子均分。因此，有效的电子加热（>15%的上游离子能量）是相对论性电子-离子冲击的普遍属性，但在磁化流中很难实现电子的显著非热加速（>2%的数量，>10%的能量，斜率小于-2.5），并且需要弱磁化冲击（磁化<1 e-3）。这些发现对活动星系核喷流和伽马射线暴的模型提出了重要的限制，这些喷流和伽玛射线暴在相对论磁化电子-离子冲击中引起粒子加速。
2010-08-31 astro-ph.HE
Density jump as a function of magnetic field for switch-on collisionless shocks in pair plasmas
无碰撞冲击的性质，如密度跳跃，通常来自磁流体力学（MHD），其中假设各向同性的压力。然而，在无碰撞等离子体中，外部磁场可以维持稳定的各向异性。在\cite{BretJPP2018}中，我们设计了一个模型的动力学历史的等离子体通过冲击波前，允许自洽计算的下游各向异性，因此密度跳跃，在上游参数。该模型处理平行激波的情况，其中磁场垂直于上游和下游的前缘。然而，磁流体力学也允许冲击解决方案，所谓的开关解决方案，其中场只在上游垂直于前方。本文包括在应用我们的模型，这些开关的冲击。虽然MHD在有限的Alfvén马赫数范围内只提供了一种接通解决方案，但我们的模型在稍有不同的Alfvén马赫数范围内提供了两种解决方案。这两个解决方案是最有可能的结果，在我们的模型下的中间和快速MHD冲击。而在平行的情况下，中间和快速冲击合并在MHD中，他们没有在我们的模型。为了简单起见，形式主义仅限于对等离子体的上游是冷的非相对论冲击。
2022-06-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration and wave excitation in quasi-parallel high-Mach-number collisionless shocks: Particle-in-cell simulation
本文通过一个长期的、大规模的粒子模拟研究了准平行高马赫数无碰撞激波中质子和电子的激波形成和粒子加速过程。我们表明，质子和电子都在冲击波中加速，这些加速粒子在冲击波的上游区域产生大振幅的Alfvénic波。在上游波充分增长之后，由于波的大横向磁场，无碰撞激波的局部结构变得基本上类似于准垂直激波的结构。一小部分质子在激波中加速，能量分布类似于幂律。质子注入对加速过程的速率近似为常数，在注入过程中，上游波对质子的相位俘获机制起着重要作用。主要的加速过程是通过质子的重复冲击交叉的费米式过程。这个过程是一个“快”过程，因为大多数加速质子完成一个加速过程周期所需的时间比扩散时间短得多。一小部分电子也被相同的机制加速，并具有类似幂律的能量分布。然而，在模拟过程中，喷射没有进入稳定状态，这可能与上游波的间歇性活动有关。在冲击波的上游，一部分电子在到达冲击波之前被预加速，这可能有助于在稍后的时间稳定的电子注入。
2015-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Current-driven filamentation upstream of magnetized relativistic collisionless shocks
相对论性无碰撞激波的不稳定性物理在高能天体物理学中具有广泛的重要性，因为这些不稳定性建立了激波，控制了粒子加速过程，并产生了加速粒子辐射的磁场。两个关键参数控制着这些冲击的微观物理：环境介质的磁化和冲击波阵面的洛伦兹因子;到目前为止，这些参数空间的大部分仍有待探索。在本文中，我们报告了一种新的不稳定性上游的电子-正电子相对论冲击，我们认为，这种不稳定性形状的微观物理在中等磁化水平和/或大洛伦兹因子。这种不稳定性是由激波前兆中的加速粒子在背景磁场周围旋转时携带的电流引起的。在背景等离子体中感应的补偿电流导致不稳定的配置，带有电荷中性丝的外观携带相同极性的电流，沿着垂直电流取向。这种“电流驱动的细丝”不稳定性的增长速度比迄今为止研究的相对论冲击上游的任何其他不稳定性都要快，其增长率与等离子体频率相当。此外，电流的补偿与环境等离子体在其穿透冲击前兆时的减速相关联（如在冲击静止帧中所观察到的）。等离子体的这种减速意味着，只要磁化强度σ<~ 10^{-2}，"电流驱动的丝状体“不稳定性可以随着冲击洛伦兹因子的任何值而增长。我们认为，这种不稳定性解释了最近的粒子在细胞模拟的结果在轻度磁化制度。
2014-01-28 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
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$的粒子不能向上游逃逸，（iv）超相对论激波中的粒子很难翻转激波并向上游逃逸;它们可能在激波斜坡周围振荡很长一段时间，可以说是“在激波斜坡上冲浪”，从而被一种SDA加速;（v）这些粒子在下游分布上形成幂律尾;指出了它们的局限性;（vi）最近发展的方法允许计算下游高能粒子发射的辐射谱;（vii）韦伯产生的下游磁场形成大振幅的涡流，这些涡流可以被下游气流平流输送到离激波很远的地方，并可能有助于扩大强场区域;（viii）如果包括宇宙射线，钟状模式可以在短波长处产生上游磁湍流，并且通过扩散再耦合，也可以在几乎平行的磁场冲击中产生长波长的上游磁湍流;（ix）这种大振幅波的平流应引起准-平行冲击和喷射下游的大振幅磁场涡流，在那里它们有助于湍流和维持大磁场的扩展区域。
2011-06-18 astro-ph.HE physics.space-ph
Impact of continuous particle injection on generation and decay of the magnetic field in collisionless shocks
本文对连续注入新电子对的无碰撞正负电子等离子体中的磁场湍流进行了数值模拟，该等离子体在很长一段时间内保持粒子分布的各向异性。{With在这些模拟中，我们遵循流体共动框架模型中的小（且因此均匀）区域的演化，在冲击中磁场的产生和衰减，其中上游由于冲击的高能辐射的自吸收而被双光子对产生修改。我们发现，磁场建立的整体画面是一致的发展的韦伯不稳定性。然而，各向异性对在上游的长期注入导致形成大尺度结构的磁场，而小尺度结构几乎没有。我们发现，被放大的冲击波阵面，这个磁场主要保持其大的空间尺度，然后慢慢地衰减在下游的时间尺度约等于持续时间的注射阶段。观测到的磁场衰减与所谓的相混合模型的预测非常吻合。相对论无碰撞激波中长寿命磁场的产生与注入修改上游解释了它们如何能够有效地产生伽马射线暴中的同步辐射。
2016-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiation-mediated shocks: kinetic processes and transition to collisionless shocks
我们分析了辐射介导的冲击波在任意冲击波速度的主要特点，无论是非相对论和相对论。我们描述了两种机制，这可能会导致形成一个尖锐的粘性亚激波，否则光滑的速度分布在冲击波阵面，即使在上游的辐射压力是压倒性的大。这些机制是次相对论性和相对论性辐射介导的激波所特有的，并将高速激波与非相对论性激波区分开来，如果辐射压力足够高，非相对论性激波就不会形成次激波。我们简要讨论了这一发现的影响。
2018-12-24 astro-ph.HE
Ultra-long simulations of collisionless relativistic shocks in front-comoving frame: evidence for a steady state and its properties
Institute of Applied Physics（应用物理研究所）
该研究通过长时间二维三分量粒子模拟，在特定坐标系下研究无磁化相对论性电子 - 正电子对激波，发现激波接近稳态，下游稳态取决于上游温度，费米型加速能量受限，下游磁场有类孤子结构。
2026-11-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Collisionless ablative plasma shocks
本文研究冷稠密与热稀薄等离子体界面处的无碰撞烧蚀激波，发现其由双极电场介导的尾部电子热通量驱动，激波前沿宽度与速度分别由上游德拜长度和下游声速决定，并通过双极电场加速离子实现高效无碰撞加热。
2025-05-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
ULF wave transmission across collisionless shocks: 2.5D local hybrid simulations
我们研究了上游超低频（ULF）波与无碰撞冲击的相互作用，通过分析11个二维局部混合模拟运行的输出。我们模拟的激波的Alfvénic马赫数在4.29-7.42之间，它们的$θ_{BN}$角为15 $^\circ$、30 $^\circ$、45 $^\circ$和50 $^\circ$。ULF波前震在所有这些地震的上游发展。上游波的波长和振幅与激波的M $_A$和$θ_{BN}$有复杂的关系。波长与这两个参数正相关，对$θ_{BN}$的依赖性更强。ULF波的振幅与反射束速度和密度的乘积成比例，其也取决于M $_A$和$θ_{BN}$。超低频波与激波的相互作用引起大尺度（几十个上游离子惯性长度）激波波纹。激波波纹的性质与超低频波的性质，即波长和振幅有关。反过来，波纹对穿过激波的ULF波传输有很大的影响，因为它们改变了局部激波特性（$θ_{BN}$，强度），使得相同ULF波前的不同部分遇到具有不同特性的激波。下游波动在波前延伸、方向或其波长方面与上游波不同。然而，下游压缩波的傅立叶谱中的一些特征是保守的，这些特征在与上游ULF波的波长大致对应的波长处呈现凸起或平坦。在横向下游谱中，这些特征较弱。
2022-01-25 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Nonthermal Acceleration of Electrons, Positrons and Protons at a Nonrelativistic Quasiparallel Collisionless Shock
本文利用一维PIC模拟研究了非相对论准平行无碰撞激波中正电子等粒子的加速机制，发现反射粒子可注入扩散激波加速过程，且正电子因平行电场进一步加速而被优先注入。
2024-05-30 astro-ph.HE
Effects of synchrotron cooling and pair production on collisionless relativistic reconnection
在相对论性磁重联中加速的非热粒子的高能辐射被认为在许多天体物理系统中是重要的，从耀变体喷流和黑洞吸积盘日冕到耀变体和磁星耀斑。在这些系统中，高能量光子（$>$ MeV）的实质密度的存在可以使双光子对产生（$γγ\to e^-e^+$）成为等离子体粒子的附加源，并且可以影响这些物体的辐射性质。我们提出了新的粒子模拟的结果，跟踪辐射的同步加速器光子和创建的对，我们研究了一个二维的重连电流片对等离子体的演变。来自电流片中加速粒子的同步辐射在上游产生热的次级对，这些次级对随后平流进入电流片，在电流片中它们被重新加速并产生更多的光子。在光学薄区域，当大部分辐射离开上游不受影响时，该过程是自我调节的，并且仅取决于背景磁场和光子的光学深度以产生对。额外的等离子体负载也会影响重联的性质。我们研究了如何流入的二次等离子体，多重数高达几百，减少了等离子体的有效磁化，抑制加速，从而降低了高能光子光谱截止。这就解释了为什么观测到的伽马射线截止与光柱处的磁场之间存在微弱的依赖关系。
2018-09-27 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
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: physical solutions
针对成对等离子体斜向无碰撞激波模型的多下游解问题，本文利用磁场倾斜角接近准则和演化性准则筛选物理解，并经PIC模拟验证，实现唯一或无解的下游配置。
2024-03-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
The Acceleration of Electrons at Collisionless Shocks Moving Through a Turbulent Magnetic Field
我们进行了一个数值模拟研究的电子在冲击，通过一个预先指定的，运动学定义的湍流磁场传播的加速。湍流由嵌入在等离子体中的宽带磁波动组成，并覆盖一定范围的波长，其中最小的波长大于最初注入系统的电子的回旋半径。我们发现，当上游磁场的湍流分量的方差是足够大的- $σ^2 \sim$ 10 $B_0^2$，其中$B_0$是背景磁场的强度-电子可以有效地加速在无碰撞冲击，而不管平均上游磁场相对于冲击法向方向的方向。由于入射磁场矢量和激波法向矢量之间的局部角度可以相当大，电子可以通过激波前沿的激波漂移加速来加速。在上游区域，电子被反射回冲击波阵面，导致多次冲击波相遇。最终，被加速的电子能量足够大，它们的回旋半径与我们描述的湍流磁场中包含的波的波长在同一数量级。我们的结果是一致的，最近的\textit{in situ}观测土星的弓形激波。这项研究可能有助于理解电子在太空和天体物理系统中受到冲击时的加速。
2015-01-30 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
Non-Thermal Electron Acceleration in Low Mach Number Collisionless Shocks. I. Particle Energy Spectra and Acceleration Mechanism
对星系团和太阳耀斑的射电和X射线观测揭示了低马赫数（M<5）激波中电子加速到非热能的过程，但对电子加速的机制仍知之甚少。扩散冲击加速，也称为一阶费米加速，不能直接用来解释电子的加速。相反，需要一种额外的机制来将电子从热能预加速到超热能，这样它们就可以参与费米过程。在这项工作中，我们使用二维和三维粒子在细胞等离子体模拟研究电子加速在低马赫数冲击。我们重点研究了M=3的参考运行中的粒子能谱和加速机制，以及准垂直的预冲击磁场。我们发现大约15%的电子可以被有效地加速，在能谱中形成非热幂律尾，斜率为p~2.4。最初，热电子通过冲击漂移加速在冲击波前被激励。然后，加速的电子被反射回上游，在那里它们与入射流的相互作用产生磁波。反过来，波散射向上游传播的电子，使其返回冲击波，以进一步通过冲击波漂移加速。总之，自生波允许冲击漂移加速的重复循环，类似于持续的费米过程。这种机制提供了一个自然的解决方案，从星系团的外围观测到的明亮的无线电同步辐射和低电子加速效率通常预期在低马赫数冲击之间的冲突。
2014-08-26 astro-ph.HE
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: allowed solutions
等离子体中的冲击波通常用磁流体力学（MHD）来处理。然而，MHD需要一个短的平均自由程的假设，这是不符合无碰撞等离子体。最近，对等离子体，我们设计了一个模型，允许占内的MHD形式主义的动力学效应。它依赖于对穿越前缘时产生的各向异性的估计，以及对下游各向异性稳定性的后续评估。我们解决了我们的模型的平行，垂直和开关的冲击。在这里，我们之间的桥梁，所有这些情况下处理的问题，任意的，但共面，定向磁场。即使提出的形式主义是有效的各向异性的上游温度，只有一个冷上游的情况下解决。我们发现额外的解决方案，这是不是MHD目录的一部分，和密度跳变，是显着少的准平行，高磁化，制度。由于计算的复杂性，这项工作主要致力于介绍我们的模型的数学方面。即将发表的一篇文章将专门讨论这里定义的冲击的物理学。
2022-11-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-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
Weibel-Mediated Shocks Propagating into Inhomogeneous Electron-Positron Plasmas
发射伽马射线暴（GRB）余辉的外部前向激波是无碰撞的，并且它是由产生磁场的韦伯不稳定性介导的。伽玛暴余辉表明，大下游区的磁场比激波压缩的震前磁场强得多。然而，相对论冲击波传播到均匀介质中的粒子模拟（PIC）表明，韦伯产生的场在冲击波阵面附近衰减。一些伽玛暴观测和理论研究表明震前介质是不均匀的。本文对相对论激波在非均匀等离子体中的传播进行了PIC模拟。结果表明，冲击后磁场衰减比均匀情况慢。激波相互作用也产生了声波和熵波，下游区域的声波产生了温度各向异性。温度各向异性的自由能大到足以解释观测到的场强。我们的结果表明，上游密度波动有一个显着的影响，在下游区域的无碰撞冲击，即使上游不均匀性的波长是远远大于动力学尺度。
2019-07-21 astro-ph.HE
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
Scaling of magnetic reconnection in relativistic collisionless plasmas
利用全动力学模拟，研究了无碰撞磁重联的流入速度从非相对论极限到超相对论极限的标度。在反平行配置中，流入速度随着上游磁化参数$σ$而增加，并且当$σ> O(100)$时接近光速，从而导致增强的重连率。在所有区域中，压力张量的发散是打破x线冻结条件的主要因素。所观察到的缩放同意一个简单的模型，占洛伦兹收缩的等离子体通过扩散区。结果表明，扩散区的纵横比在非相对论和相对论极限下都保持$\sim 0.1$。
2014-10-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
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
Dynamics and microinstabilities at perpendicular collisionless shock: A comparison of large-scale two-dimensional full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用大规模二维全粒子模拟方法研究了垂直激波动力学与激波根部微不稳定性之间的关系。无碰撞激波的结构和动力学通常由阿尔芬马赫数和等离子体β决定，而激波根部的微不稳定性则由上游体速度与电子热速度之比以及等离子体与回旋频率之比控制。在阿尔芬马赫数和等离子体β固定的情况下，给出了上游体速度与电子热速度之比作为离子与电子质量比的函数。本文在较低的Alfven马赫数（M_A~6）下进行的二维全PIC模拟表明，离子电子质量比越大，修正双流不稳定性越明显。它也证实了下游传播的波更增强的激波脚附近的激波斜坡的质量比变得更高。结果表明，这些波通过与激波阵面波纹的相互作用，对无碰撞激波的动力学特性起到了一定的修正作用。
2014-01-31 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
Can we trust MHD jump conditions for collisionless shocks?
当应用于计算激波的密度跃变时，标准磁流体动力学（MHD）形式主义假设：1）所有上游物质连同其携带的动量和能量一起向下游传递，以及2）压力是各向同性的。在无碰撞的激波中，激波加速的粒子绕着前缘来回运动可以使第一个假设失效。此外，外部磁场可以维持稳定的压力各向异性，使第二个假设无效。因此，不清楚无碰撞激波的密度跳跃是否满足MHD跳跃。在这里，我们试图澄清这个问题。对68篇关于无碰撞冲击的Particle-In-Cell模拟的文献进行了综述。我们分析了触发偏离MHD密度跳跃的因素，并量化了它们对$Δ_{RH}$的影响，即偏离Rankine-Hugoniot跳跃的相对偏离。对于小偏差，我们提出了$Δ_{RH} = + \mathcal{O}(10^{-1-3.7κ})t^κ- σ\mathcal{O}(1)$，其中$t$是模拟的时间尺度，$σ$是磁化参数，$κ$是阶数单位的常数。第一项源于能量泄漏到加速粒子中。第二项源于由场触发的下游各向异性（假设上游各向同性）。这个关系允许评估在何种程度上无碰撞冲击满足RH密度跳跃。在强场极限和平行激波情况下，由场引起的偏离在一个有限的负值处饱和。对于垂直激波，在小的和高的$σ$时，偏离趋于零，因此我们在这里找到一个偏离窗口。必须根据完整的3D模拟检查所获得的结果。
2020-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Injection to rapid diffusive shock acceleration at perpendicular shocks in partially ionized plasmas
本文首次对部分电离等离子体中的无碰撞垂直激波进行了三维混合模拟。在这个模拟中，激波速度和上游电离分数分别为Vsh ~ 1333 km/s和fi ~ 0.5，这是星际介质中孤立的年轻超新星遗迹的典型值。我们证实了以前的二维模拟结果，下游氢原子泄漏到上游区域，他们被加速的拾取过程中的上游区域，和大的磁场波动产生的上游和下游区域。此外，我们还发现磁场起伏具有三维结构，泄漏氢原子在拾取过程后被注入到垂直激波处的扩散激波加速中。观察到的扩散激波加速度可以解释为激波漂移加速度与散射。在该模拟中，粒子在~ 100个回转周期内被加速到v ~ 100 Vsh ~ 0.3c。平行激波中的加速时间尺度比扩散激波的加速时间尺度快。我们的模拟结果表明，超新星遗迹可以加速宇宙射线到10^{15.5} eV（膝盖）在Sedov阶段。
2016-06-10 astro-ph.HE
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
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
Turbulence-Driven Corrugation of Collisionless Fast-Magnetosonic Shocks
University of Turku（图尔库大学）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Eureka Scientific, Inc.（尤里卡科学公司）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究提出了一种线性磁流体动力学模型，探讨湍流如何驱动非碰撞快磁声激波表面凹凸，分析了激波几何、压缩和等离子体参数对凹凸特性的影响，并讨论了其在日冕和超新星残骸激波辐射中的意义。
2026-01-06 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
The Importance of Heat Flux in Quasi-Parallel Collisionless Shocks
本文通过自洽混合粒子-细胞模拟研究了非热粒子对准平行非碰撞性激波中热量流的影响，揭示了非热粒子反馈对激波流体力学和压缩比的调节作用，并改进了Rankine-Hugoniot跃迁条件理论。
2025-12-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Structure of a collisionless pair jet in a magnetized electron-proton plasma: flow-aligned magnetic field
我们研究了引导磁场对通过静止的无碰撞电子-质子等离子体传播的成对喷流的形成和结构的影响。我们用PIC模拟了一对温度为400 keV，平均速度为0.9c的云。云传播通过一个空间均匀，磁化和冷却环境的电子-质子等离子体是在休息。其平均速度矢量与背景磁场一致。一股喷射流及时形成。它的外茧由射流加速的环境等离子体组成，并通过电磁活塞与内茧分离，电磁活塞的厚度与射流粒子的热回旋半径相当。一个超临界快速磁声冲击将形成之间的原始环境等离子体和射流加速的时间尺度上，超过我们的模拟时间的一个数量级。内茧是成对的等离子体，当它扫过背景磁场时失去了其定向流能量。一束电子和正电子以其初始速度沿喷流脊运动。它的电子被减速，一些正电子在穿过喷流头部时被加速。后者沿着磁场向上游逃逸，在喷流之前产生过量的MeV正电子。在电磁活塞形成时，位于其后面的一些质子被加速到MeV的能量
2018-12-13 astro-ph.HE
Collisionless shocks in a partially ionized medium: III. Efficient cosmic ray acceleration
在本文中，我们提出了第一个公式的非线性粒子加速理论的无碰撞冲击中的中性氢的存在下，在加速区。文中还讨论了加速粒子的动力学反应、磁场放大和磁动力学效应对激波的影响。然而，主要的新方面在于解释电荷交换和中性氢的电离，这深刻地改变了冲击波的结构，正如我们以前的工作所讨论的那样。中性粒子的这种重要动力学效应主要与所谓的中性返回通量有关，即热中性粒子从下游区域返回上游，在那里它们通过电荷交换和电离沉积能量和动量。我们还介绍了从激波区的巴耳末线发射的自洽计算，并讨论了如何使用测量的异常宽度的不同组件的巴耳末线来推断宇宙线加速效率在超新星遗迹显示巴耳末发射：宽的巴耳末线，这是由于氢原子与激波下游的热离子的电荷交换，的能量流失到宇宙射线的结果，而狭窄的巴耳末线，由于宇宙射线-诱导的前体中的电荷交换，被证明是变得更宽。除了这两个众所周知的组件，中性返回通量导致形成的第三个组件与中间宽度：这也包含在冲击正在进行的过程的信息。
2013-03-19 astro-ph.HE
The structure of cluster merger shocks: turbulent width and the electron heating timescale
我们对Abell 2146星系团合并进行了新的2 Ms Chandra观测，该星系团合并有两个巨大的M~2激波阵面，每个阵面的宽度约为500 kpc。本文首次解决并度量了集群并购冲击的宽度。弓形激波的最佳拟合宽度为17+/-1 kpc，上游激波的最佳拟合宽度为10.7+/-0.3 kpc。如果一个窄的无碰撞激波的光滑形状被局部气体运动所扭曲，那么它在投影上将显得更宽。我们表明，这两个冲击波宽度是一致的，与无碰撞冲击模糊的本地气体运动的290+/-30公里/秒。上游激波比弓形激波形成得晚，因此预计要窄得多。从弓形激波后的电子温度分布，我们测量了电子和离子回到热平衡的时间尺度。我们排除了快速热平衡的电子与冲击加热的离子在6西格玛水平。相反，观察到的温度分布有利于碰撞平衡。对于这些集群合并的冲击，它具有低的音速马赫数和传播通过一个高$β$等离子体，我们没有发现任何证据的电子加热超过绝热压缩产生的。我们的研究结果预计是有效的无碰撞冲击在其他环境中具有类似的参数，并支持现有的图片从太阳风和超新星遗迹。上游激波与这一结果一致，但具有更复杂的结构，包括在激波前约50 kpc的温度增加约2 keV。
2022-05-09 astro-ph.CO astro-ph.HE
Fermi acceleration in relativistic collisionless plasma shocks correlates with anisotropic energy gains
本研究通过PIC模拟研究相对论正负电子等离子体对撞产生的无碰撞激波，发现WI介导的激波使粒子按洛伦兹因子分叉，快慢粒子的能量增益受电场不同分量的影响存在各向异性差异。
2021-07-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
