Plasma kinetic effects in relativistic radiation mediated shocks
在光学厚介质中形成的快速激波由康普顿散射和相对论性的电子对产生介导。由于辐射力主要作用在电子和正电子上，问题就产生了，辐射力如何传递给作为冲击能量主要载体的离子。人们普遍认为，由辐射力引起的小的电荷分离在使离子减速的冲击内产生电场。在本文中，我们认为，虽然这是真的，在亚相对论冲击是没有正电子，在相对论辐射介导的冲击（RRMS），这是由新创建的$e^+e^-$对为主，需要额外的耦合，由于相反的电力作用于电子和正电子。具体而言，我们表明，耗散的离子能量必须涉及集体等离子体相互作用。通过构建一个多流体模型的RRMS，包括摩擦力，我们估计，电子和正电子（和/或离子）之间的动量转移通过集体相互作用的尺度上的几十到几千质子集肤深度，这取决于摩擦是否是有效的，只有对之间的$e^+e^-$或对和离子，是足以耦合到一个单一的流体内的冲击的所有粒子和辐射。这就留下了一个问题，即相对论RMS粒子是否可以通过散射等离子体湍流而有效地加速到高能量。这种加速可能对相对论冲击爆发信号产生重要影响。
2020-09-22 astro-ph.HE
Physics of radiation mediated shocks and its applications to GRBs, supernovae, and neutron star mergers
在不同类型的宇宙爆炸中观察到的第一个电磁信号是在爆炸中产生的冲击波从包围中心源的不透明外壳中出现时释放的。值得注意的例子是各种类型的超新星和低光度伽玛暴的早期辐射，长伽玛暴中的瞬发光球辐射，以及伴随着中子星合并中引力波信号的伽马射线辐射。在所有这些例子中，由爆炸驱动的冲击波是由被困在其中的辐射所介导的，它的速度和结构取决于环境条件，决定了早期观测到的电磁辐射的特征，也可能是它们的中微子发射。近年来，人们一直致力于发展一个详细的辐射介导冲击理论，试图预测上述系统中早期发射的性质。鉴于即将到来的瞬变工厂对冲击爆发候选者的预期检测率，以及对中子星合并（如GW 170817）中冲击爆发的伽马射线闪光的潜在检测，这些努力是及时的。本文从辐射介导休克的基本原理出发，对辐射介导休克的理论和应用进行了综述。激波解的分类取决于每一类物体的条件，并将说明用于求解不同状态下激波方程的方法，特别强调观测诊断。重点介绍了它在超新星、低光度伽玛暴、长伽玛暴、中子星合并和中微子发射等方面的应用。
2020-03-12 astro-ph.HE
Radiation-mediated shocks in GRB prompt emission
针对伽马射线暴辐射机制的长期争议，本研究利用Kompaneets RMS近似建模辐射介导激波的亚光球耗散，发现模拟光谱的低能指数分布与观测相符，支持耗散光球层模型可解释伽马暴瞬时辐射特性。
2024-03-06 astro-ph.HE
An efficient method for fitting radiation-mediated shocks to gamma-ray burst data: The Kompaneets RMS approximation
发生在伽马射线暴（GRB）喷流光球层下方的冲击是由辐射介导的。这种辐射介导的冲击（RMS）可能是负责塑造即时伽玛射线暴发射。虽然理论上研究得很好，但由于从第一原理模拟RMS的计算成本，RMS模型尚未拟合数据。在这里，我们通过开发一种近似方法，能够准确地再现辐射光谱从温和的相对论性（在冲击帧）或较慢的RMS，称为Kompaneets RMS近似（KRA）的理论和观测之间的差距。近似是基于辐射的热康普顿化和RMS内部发生的体康普顿化之间的相似性。我们通过比较模拟的KRA辐射光谱的第一原理辐射流体动力学模拟，发现良好的协议内的RMS和RMS下游的方法进行验证。KRA，然后应用到一个冲击的情况下，内的伽玛射线暴喷气，允许快速和有效的拟合伽玛射线暴数据。我们说明了开发的方法的能力，通过执行一个适合GRB 150314A的非热谱。拟合使我们能够揭示RMS的物理特性，负责即时发射，如冲击速度和上游等离子体温度。
2021-11-02 astro-ph.HE
Radiation mediated shocks in gamma-ray bursts: Subshock photon production
内部冲击提供了一个合理的加热机制，在喷流的伽马射线暴（GRB）。在喷流光球层以下发生的激波是由辐射引起的。以前发现，伽玛射线暴喷流内的辐射介导冲击（RMS）是效率低下的光子生产者，介导RMS的光子必须来自爆炸的早期阶段。我们表明，这一结论只适用于非磁化射流。在中等磁化的等离子体中传播的RMS会产生一个无碰撞的次激波，将等离子体局部加热到相对论温度，热电子在RMS内发射出大量的同步加速器光子。我们发现，这种机制一般是有效的轻度相对论冲击，并可能是在伽玛暴中观察到的光子的主要来源。我们推导出一个简单的解析公式，每个质子产生的光子数，$Z$，它给出了$Z=10^5$ - $10^6$，与观察一致。光子最初以低能量注入，远低于观察到的GRB峰值。它们的数量受两个主要因素控制：（1）在冲击波中产生的电子-正电子对的丰度，这是自洽计算的，（2）由诱导下散射设定的软辐射亮度温度的上限。注入的软光子通过体康普顿化在RMS中获得能量，并形成其非热光谱。
2018-04-09 astro-ph.HE
Fast radiation mediated shocks and supernova shock breakouts
我们提出了一个简单的非相对论和相对论辐射介导的冲击结构的分析模型。当激波速度β_s \equiv v_s/c \gtrsim 0.1时，激波转捩区远离热平衡，因为转捩的穿越时间太短，不能产生黑体光子密度（通过韧致辐射）。在这个区域中，电子和光子（以及正电子）在温度T_s显著超过远下游温度T_s \gg T_d \approx 2（\varepsilon n_u \hbar^3 c^3）^{1/4}时处于康普顿（对）平衡。当冲击波速度β_s \approx为0.2时，T_s \gtrsim达到10 keV。在较高的速度下，β_s \gtrsim = 0.6，在过渡区等离子体主要是e^ \pm对和60 keV的\lesssim T_s \lesssim 200 keV。我们认为，在蓝超巨星和沃尔夫-拉叶星的恒星包层（或周围的恒星风）爆发超新星激波时，在合理的恒星参数下β_s>0.1的谱线中，可能含有光子能量达几十甚至几百keV的硬谱线。这可能解释了与SN 2008 D相关的X射线爆发，也可能解释了其他与SN相关的爆发，其光谱不超过100 keV（例如XRF 060218/SN 2006 aj）。
2010-05-27 astro-ph.HE
From Internal Collision to Photon Escape: First-Principles Modeling of Radiation-Mediated Shocks in Gamma-Ray Burst Photospheres
KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；The Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova University Centre（阿尔巴诺瓦大学中心的奥斯卡·克莱因宇宙粒子物理中心）
研究通过首原理辐射-流体动力学模拟，探讨伽马射线暴中亚光球层冲击波的形成与演化，揭示辐射介导冲击波对光子场的影响及光变曲线特征。
2026-04-08 astro-ph.HE
Magnetized Shocks Mediated by Radiation from Leptonic and Hadronic Processes
Niels Bohr International Academy and DARK, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen（哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所）
研究磁化激波中辐射对粒子加速和光谱分布的影响，探讨磁化和非热辐射对激波结构的作用，揭示多信使辐射的预报重要性。
2026-04-13 astro-ph.HE
Bell Instability-Mediated Diffusive Shock Acceleration at Supernova Blast Wave Shock Propagating in the ISM
本文用新型数值方法模拟星际介质中超新星爆炸波激波的 Bell 不稳定性与磁场放大，解释典型条件下宇宙线最高约30 TeV且磁场未饱和的原因。
2024-04-05 astro-ph.HE
Monte-Carlo simulations of relativistic radiation mediated shocks: II. photon starved regime
辐射介导的冲击（RMS）在塑造许多瞬态中观察到的早期发射中起着关键作用。在大多数情况下，例如，在超新星、11GRB和中子星合并的激波爆发中，上游等离子体没有辐射，最终到达观察者的光子主要在激波的内部和下游产生。预测所观察到的光谱需要详细的计算的冲击结构和热力学状态，适当的冲击微观物理。我们提出的光子饥饿RMS的自洽蒙特卡罗模拟的结果，产生的冲击波的结构和发射范围很广的冲击波速度，从次相对论（$β_{sh} = 0.1$）高度相对论（$Γ_{sh} = 20$）。我们的模拟证实，在相对论RMS的直接下游温度调节指数对创建，范围从$50$千电子伏在$β_{sh}=0.5$ $200$千电子伏在$Γ_{sh}=20$。在较低的速度下，温度变得对激波速度敏感，$kT\sim 0.5$ keV在$β_{sh}=0.1$。我们还证实，在相对论冲击的不透明度是完全占主导地位的新创建的对，这对突破物理学具有重要意义。我们发现到对优势的转变大致发生在$β_{sh}=0.5$。在所有检查的情况下，已经发现低于$νF_ν$峰的光谱比普朗克分布软得多。这对快速和相对论爆发中的光发射及其探测具有重要意义。讨论了GRB 060218和GRB 170817A的应用。
2019-12-19 astro-ph.HE
Non-relativistic radiation mediated shock breakouts: I. Exact bolometric planar breakout solutions
在常不透明度扩散近似下，数值求解了非定常平面辐射介导激波（RMS）从具有幂律密度剖面ρ \propto x^n的表面爆发的问题。对于由漏失不透明度、速度和密度确定的时间、长度和能量尺度的适当选择，解是通用的，即仅取决于密度幂律指数n。由此产生的亮度对n值的依赖很弱。基于自相似流体动力学解和稳态RMS解，构造了一个近似解析解，并表明只要激波远离表面，τ>> c/ v_{sh}，该近似解析解与数值解是一致的。近似的解析表达式，校准的精确解的基础上，提供，描述逃逸光度作为时间的函数。这些结果可用于计算超新星（SN）激波爆发时产生的辐射爆发的热辐射特性。为了完整性，我们还使用精确的突破解决方案，以提供快速（v_{sh} >~0.1）非热突破的最大表面温度的解析近似，并表明它是几倍小于推断的基础上，稳态RMS解决方案。
2011-03-25 astro-ph.HE
Magnetically driven coupling in relativistic radiation-mediated shocks
在宇宙爆炸的富光子环境中，辐射阻力可以通过诱导相对论流动等离子体成分之间的速度差来引发动力学不稳定性。这种微湍流很可能是辐射介导的冲击爆发信号的印记。然而，大规模的，横向磁场在激波过渡的减速区可以抑制占主导地位的动力学不稳定性，防止电子-正电子对和重离子物种之间的速度分离的发展。我们使用一个一维（1D）五流体辐射转移代码来产生自洽的配置文件的辐射阻力和等离子体成分的减速区。对于增加磁化，我们的模型预测迅速增长的对多重性和大量的辐射阻力发展自相似的整个减速区。我们提取的临界磁化参数$σ_{c}$，确定的极限磁场强度，在三种等离子体可以开发动力学不稳定性之前到达各向同性的下游。对于一个相对论，单离子等离子体漂移与$γ_{u} = 10$在上游的相对论辐射介导的冲击，我们发现的阈值$σ_{c}\approx 10^{-7}$的微湍流的发病。在多离子组成的情况下抑制等离子体不稳定性可能需要高得多的$σ_{c}$值。识别冲击波爆发信号中微湍流的高能特征，并将其与本工作中提供的磁化极限相结合，将使我们能够更深入地了解宇宙爆炸（如超新星、伽马射线暴和中子星双星合并）的磁环境。
2023-01-24 astro-ph.HE
Radiation mediated shocks in gamma-ray bursts: Pair creation
光球下激波耗散是产生瞬发伽玛暴的主要机制之一。这种冲击是由辐射的散射引起的。我们引入了一个时间依赖的，特殊的相对论代码，动态耦合蒙特卡罗辐射传输的流动流体力学。该代码还自洽地实现了电子-正电子对的产生和湮灭。我们模拟的冲击与伽玛暴的相关属性和研究的稳定状态的解决方案，这是准确的深射流光球。冲击波通过一阶费米机制产生幂律光子谱，从典型的上游光子能量向上延伸。强激波（下游压力远大于上游压力）具有上升的$νF_ν$激波谱。对于非相对论性冲击，谱可扩展到$ε_{max} \equiv E_{max}/m_e c^2 \sim v^2$，其中$m_e$是电子静止质量，$v$是上游和下游之间的相对速度，单位为光速$c$。对于温和的相对论冲击，由于克莱因-西名效应，$ε\gtrsim 10^{-1}$的幂律软化，而$vγ\gtrsim 1$的冲击，其中$γ\equiv (1-v^2)^{-1/2}$，产生电子-正电子对。作为一个例子，具有$vγ= 3$和$n_γ/n_p = 2 \times 10^5$的光子-质子比的强冲击具有$Z_\pm \approx 225$的峰值对-质子比。在稳态激波中电子对的主要作用是使激波的空间宽度减小$\sim Z_\pm$倍。冲击后谱在下游热化。在没有发射和吸收过程的情况下，在激波后的光学深度$τ\gg θ_d^{-1}$处达到温度$θ_d \equiv kT_…
2017-08-08 astro-ph.HE
Fission and fusion of heavy nuclei induced by the passage of a radiation-mediated shock in BNS mergers
本文计算了多离子辐射介导激波的结构，发现在BNS合并抛射物中，足够快的激波可通过离子碰撞触发核裂变与聚变，并改变抛射物成分，进而影响早期千新星发射性质。
2024-04-27 astro-ph.HE
Non-Thermal Electron Acceleration in Low Mach Number Collisionless Shocks. II. Firehose-Mediated Fermi Acceleration and its Dependence on Pre-Shock Conditions
已知电子加速到非热能发生在星系团和太阳耀斑的低马赫数（M<5）激波中，但电子加速机制仍然知之甚少。利用二维等离子体粒子模拟，我们在论文I中证明了电子在低马赫数（M=3）准垂直激波中通过类费米过程被有效地加速。电子在上游区域和冲击波阵面之间反弹，在冲击波处的每次反射通过冲击波漂移加速导致能量增益。上游散射由斜磁波提供，斜磁波是由冲击前逸出的电子自发产生的。在目前的工作中，我们采用额外的二维PIC模拟来解决上游斜波的性质。我们发现，波产生的冲击反射电子通过消防水龙带不稳定性，这是由各向异性的电子速度分布。我们系统地探讨波的产生和电子加速的效率如何依赖于磁场的磁化强度，流动磁化（或等效地，等离子体β），和上游电子温度。我们发现，该机制适用于冲击与高等离子体β（>20）在几乎所有的磁场强度，并为电子温度的范围内相关的星系团。我们的研究结果提供了一个自然的解决方案，从星系团的外围观测到的明亮的无线电同步辐射和低电子加速效率通常预期在低马赫数冲击之间的冲突。
2014-10-23 astro-ph.HE
Physics of Weibel-mediated relativistic collisionless shocks
我们发展了一个全面的理论模型的相对论性无碰撞对冲击介导的电流的双折射不稳定性。我们显着的非惯性框架中，这种不稳定性是一个主要的磁性的特点，并描述在微观层面上的减速和加热的传入的背景等离子体通过其碰撞与电磁湍流的相互作用。我们的模型比较大规模的2D3V PIC模拟，并提供了一个重要的试金石等离子体系统的现象。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Saturation Level of Ion Weibel Instability and Isotropization Length Scale in Electron-Ion Weibel-Mediated Shocks
本研究通过理论和粒子模拟，揭示电子物理决定离子韦伯不稳定性产生的磁场饱和水平，并建立各向同性化长度模型，发现电子加热对超相对论激波形成至关重要，而典型星际介质中的非相对论激波并非纯韦伯介导。
2024-05-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel-instability-mediated collisionless shocks in laboratory with ultraintense lasers
采用\emph{ab initio}多维粒子模拟方法，研究了实验室中强激光作用下非相对论性无碰撞激波的形成。微观物理背后的冲击形成和耗散，以及详细的冲击结构进行了分析，说明了韦伯不稳定性在产生强的次均质磁场，各向同性的传入流，并导致形成一个无碰撞的冲击，类似于发生在天体物理的情况下，起着至关重要的作用。在实验室中产生这种无碰撞冲击的可能性为直接研究与天体物理冲击有关的物理开辟了道路。
2012-04-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Monte-Carlo simulations of relativistic radiation mediated shocks: I. photon rich regime
我们探讨的物理相对论辐射介导的冲击（RRMS）的制度，光子平流占主导地位的光子产生。为了这个目的，一种新的迭代方法推导出一个自洽的稳态结构的RRMS的开发，基于Monte-Carlo代码，解决了受康普顿散射和对生产/湮灭的光子的传输。系统的研究是通过施加各种上游条件，其特征在于以下三个参数：光子-重子惯性比$ξ_{u *}$，光子-重子数比$\tilde{n}$，和冲击洛伦兹因子$γ_u$。我们发现，RRMS的属性与这些参数有很大的不同。特别是，虽然在$ξ_{u*} \gg 1$中看到速度的平滑下降，伴随着温度的逐渐升高，但对于$ξ_{u*} \lesssim 1$发现了导致加热前体的有效的本体康普顿化。因此，虽然粒子加速在这些冲击中效率很低，但在后一种情况下会产生很宽的非热谱。在某些情况下，通过体康普顿化产生的高能光子导致大量产生的光子对，这些光子对为康普顿散射提供了主要的不透明度。我们还发现，对于某些上游条件下，一个弱的子激波出现在流动。对于一个适合于伽马射线暴的参数的选择，冲击内的辐射光谱被发现是兼容的即时发射，这表明，亚光球冲击可能会引起所观察到的非热的功能，尽管没有加速粒子。
2017-10-17 astro-ph.HE
On the sideways expansion of relativistic non-spherical shocks and GRB afterglows
在Kompaneets（薄壳）近似下考虑了非球形相对论爆炸波的膨胀。我们发现，相对论运动有效地“冻结”了激波阵面的横向动力学：只有极强的准直激波，其张开角为$Δθ\leq 1/Γ^2$，由于侧向膨胀，才显示出明显的剖面变化。对于不太准直的剖面，传播几乎是弹道式的;相对论激波的侧向膨胀只有在它们变得温和相对论时才变得重要。
2011-05-31 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
Cosmic Ray Acceleration by Relativistic Shocks: Limits and Estimates
我们研究的能量限制，宇宙射线可以加速相对论冲击，表明轻离子的加速高达100 EeV是不可能的。我们估计的含义是，如果超高能宇宙射线被冲击加速，那么这些冲击可能不是相对论性的。
2017-09-22 astro-ph.HE
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
Non-relativistic radiation mediated shock breakouts: II. Bolometric properties of SN shock breakout
超新星激波爆发的精确热光变曲线是基于普适的、非相对论性的、平面爆发解（Sapir et al. 2011）推导出来的，假设球面对称、恒定的汤姆逊散射不透明度、κ和对应于稳态平面极限的角强度。这些近似值对于尺度高度远小于半径的祖细胞是准确的。光变曲线对密度分布不敏感，由原始半径R、爆发速度v_0和密度ρ_0以及κ决定。计算结果表明，总爆发能量E_BO=8.0πR^2κ^-1cv_0，最大喷出速度v_max=2.0v_0，精度约为10%。计算的光变曲线直到转变为球形膨胀的时间t_sph \approx R/4v_0都是有效的。对于爆发时激波穿越时间t_0=c/κρ_0v_0^2 << R/c（对R<10^14 cm有效）的爆发，给出了光变曲线的近似解析表达式。由于中等程度的非对称爆炸，通量角强度分布的改变和激波到达表面时间的差异Δt_asym影响早期光变曲线，但不影响v_max和E_BO。对于4v_0<<c，对大（RSG）祖细胞有效，在max（Δt_asym，R/c）< t<t_sph时L \propto t^{-43}，并且R可以从R \approx 2*10^13（L/10^43 erg s^-1）^{2/5}（t/1 hr）^{8/15}精确估计。
2011-03-28 astro-ph.HE
Radiation Mediated Shock and Planar Shock Breakout in the Presence of Atomic Transition Lines
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
本文研究了辐射介导的高速冲击在超新星冲击突破中的表现，考虑了重元素束缚态的不透明性，发现其显著增加了光子产率并维持局部热平衡，对观测结果有重要影响。
2025-09-21 astro-ph.HE
Relativistic slowing down shocks as sources of GRB lag
我们正在证明减缓超相对论冲击是如何产生伽玛射线暴滞后的。反射过程产生正滞后，Cracow加速过程产生负滞后。我们提出了一种将种子粒子注入相对论喷流的方法。
2017-05-20 astro-ph.HE
Non-resonant magnetohydrodynamics streaming instability near magnetized relativistic shocks
本文对相对论激波前体中的非共振流动不稳定性进行了线性研究和数值模拟。在冲击前restframe中，我们进行了线性分析，这种不稳定性在一个可能的配置超相对论冲击前兆。这考虑了具有垂直于冲击波阵面和大尺度磁场的波矢量的磁声波。我们的线性分析是在没有任何假设的冲击速度，因此是有效的所有速度制度。为了检验我们的计算，我们还进行了相对论MHD模拟，描述了上述磁声波通过冲击前兆的传播。数值计算证实了我们的线性分析，预测的增长率的不稳定性是最大的超相对论冲击，并表现出波数依赖$\propto k_x^{1/2}$。我们的数值模拟还描绘了饱和制度的不稳定性，我们表明，磁放大是温和的，但仍然显着（$δB/B\leq 10$）。后一个事实可以解释在相对论磁化冲击附近强湍流的存在。我们的数值方法也引入了一个方便的手段来处理等温（超）相对论MHD条件。
2013-05-03 astro-ph.HE
Microphysics of Particle Reflection in Weibel-Mediated Shocks
通过PIC模拟追踪正负电子对等离子体激波中的测试粒子，研究了Weibel介导激波中粒子反射的微观物理机制，揭示了约1%粒子注入效率的成因并提出了预测高能粒子比例的模型。
2023-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle Acceleration in Relativistic Magnetized Collisionless Pair Shocks: Dependence of Shock Acceleration on Magnetic Obliquity
利用2.5维和3维粒子模拟方法研究了相对论磁化无碰撞对激波的激波结构和粒子加速。我们探讨了冲击前磁场和冲击法线之间的倾斜角度范围。我们发现，只有磁倾角对应的“亚光速”冲击，其中相对论粒子的磁场后，可以逃脱前面的冲击，导致粒子加速。在这种冲击的下游频谱包括一个相对论麦克斯韦和高能量幂律尾指数截止。随着磁倾角在亚光速范围内的增加，高能尾所占的粒子比例（从~1%到~2%）和能量（从~4%到~12%）都在增加。幂律的谱指数随角度从-2.8+-0.1增加到-2.3+-0.1。对于几乎平行的激波，粒子加速由扩散激波加速过程驱动，对于较大的亚光速倾角，粒子加速切换到激波漂移加速。对于“超光速”激波，下游粒子谱没有显示出任何明显的超热尾。从上游坐标系可以看出，相对论性（洛伦兹因子gamma 0> 5）磁化（sigma > 0.03）流中的有效加速只存在于很小的磁倾角范围内（< 34/gamma 0度），因此相对论性天体物理对激波必须要么接近平行，要么弱磁化，以产生非热粒子。这些发现限制了AGN喷流、脉冲星风星云和伽马射线暴的模型，这些模型在相对论磁化冲击中引起粒子加速。（节录）
2009-01-19 astro-ph.HE
Energy-conserving, Relativistic Corrections to Strong Shock Propagation
天体物理爆炸伴随着冲击波通过周围介质的传播。根据爆炸中所涉及的质量和能量，冲击波速度$V$可以是非相对论性的（$V \ll c$，其中$c$是光速），超相对论性的（$V \simeq c$）或适度相对论性的（$V \sim few\times 0.1c$）。虽然描述激波传播的流体方程的自相似、能量守恒的解在非相对论性（塞多夫-泰勒爆炸波）和超相对论性（布兰德福德-麦基爆炸波）区域中是已知的，但当流动只有轻度相对论性时，有限的光速违反了尺度不变性和自相似性。通过将相对论项作为流体方程的摄动处理，我们导出了强激波传播的非相对论Sedov-Taylor解的能量守恒修正$\mathcal{O}(V^2/c^2)$。我们表明，相对论性条款修改后的冲击流体的速度，密度，压力，和冲击速度本身，后者受到全球能量守恒的约束。我们推导出了一系列激波后绝热指数$γ$（我们将其设置为激波后气体的固定数）和环境幂律指数$n$的修正值，其中激波进入的环境介质$ρ_{\rm a}$的密度随着球形半径$r$的下降而下降，为$ρ_{\rm a} \propto r^{-n}$。对于Sedov-Taylor爆炸波，终止于接触不连续与发散密度，我们发现，有没有相对论修正的Sedov-Taylor解决方案，同时满足流体方程和能量守恒。这些解对相对论性超新星、伽玛射线暴中超相对论性速度向亚相对论性速度的转变以及其他高能现象…
2019-05-28 astro-ph.HE
Sub-photospheric shocks in relativistic explosions
本文研究了不透明相对论外流中的内激波机制，特别是宇宙学伽马射线暴。冲击波产生中微子辐射，并影响观测到的爆炸光球辐射。它们从内部压缩波发展而来，并且可以根据流出物的组成而具有不同的类型：（1）具有可忽略的等离子体惯性的“光子气体”中的激波具有由无力条件确定的独特结构--等离子体静止框架中的零辐射通量。辐射在等离子体惯性上的优势抑制了集体电磁场介导的无碰撞激波的形成。(2)如果外流被充分磁化，就会形成一个强的无碰撞的次激波，它嵌入在一个较厚的辐射介导结构中。(3)具有自由中子成分的流出物中的波通过核碰撞导致耗散。在大的光学深度，冲击的厚度相当于中子自由程，嵌入辐射介导的和无碰撞的子冲击。本文还介绍了充满光子的磁化流的第一性原理模拟，展示了冲击的形成及其结构。简单的估计表明，磁化的光球下的冲击是有效的生产者的光子，并对观测到的光球辐射有很大的影响。激波结构随着外流向光球层扩展而改变。耗散伴随着强烈的$e^\pm$对的产生，$e^\pm$修饰的激波携带着光球，半径达20年，发射出强烈的非热辐射脉冲。
2017-01-17 astro-ph.HE
Particle transport and heating in the microturbulent precursor of relativistic shocks
无碰撞相对论激波是近年来理论和数值研究的热点。粒子加速、电磁微湍流的产生和激波阵面的形成是相对论无碰撞激波的三个相互关联的基本组成部分。在本文中，我们调查在这方面的两个重要问题：（1）运输的超热粒子在激发的微湍流上游的冲击和其后果的粒子加速;（2）预热传入的背景电子，因为它们交叉的冲击前兆和经验相对论振荡的微湍流电场。我们强调的重要性，相对于背景等离子体和冲击波前的电磁扰动的运动。本文研究了相对论激波前兆中的两种主要不稳定性：平行不稳定性和斜双流不稳定性。最后，我们用我们的结果来讨论的最大加速度在外部冲击的伽马射线暴，我们发现特别是一个最大的同步辐射光子能量的几个GeV的顺序。
2012-12-06 astro-ph.HE
Non-relativistic radiation mediated shock breakouts: III. Spectral properties of SN shock breakout
研究了具有幂次密度分布$ρ\propto x^n$的恒星表面激波爆发后的辐射谱。假设平面几何形状，当地康普顿平衡和韧致辐射作为主要的光子产生机制，数值解得到的光子数密度和温度分布作为时间的函数，氢氦信封。温度解由爆发激波速度$v_0$和激波前爆发密度$ρ_0$决定，对n值的依赖性较弱。提供了作为$v_0$和$ρ_0$函数的漏钢表面峰值温度的拟合公式，其中具有$T_{peak}\approx 9.44\exp{[12.63(v_0/c)^{1/2}]}$ eV，并将表面温度的时间依赖性制成表格。时间积分发射光谱是模型的稳健预测，由$\mathcal{T}_{\rm peak}$和$v_0$单独确定，并且对光传播时间的细节或与球对称的轻微偏差不敏感。采用通常假设的祖先参数，BSG和RSG/He-WR祖先在0.3 - 10 keV波段的爆发光度分别为~10^45 erg/s和~10^44 erg/s（T_{peak}远低于RSG的波段，除非它们的半径为~10^13 cm）。预计在ROSAT和XMM-牛顿的寿命期间，将探测到30次以上的SN 1987 A样（BSG）爆发。如果没有这样的检测将意味着，要么为BSG祖细胞假设的典型参数是非常不正确的，或者它们的信封不是流体静力学。XRF 080109/SN 2008D观测到的光谱和持续时间与恒星表面解释的非相对论性突破存在紧张关系。
2013-08-20 astro-ph.HE
Observational characteristics of radiation-mediated shocks in photospheric gamma-ray burst emission
本研究基于内部碰撞框架和RMS模型，分析了伽马射线暴光球辐射中辐射介导激波的光谱特征，发现典型合成光谱与观测值高度吻合，并揭示了“光学浅激波”产生复杂光谱的参数条件。
2023-10-24 astro-ph.HE
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
Modeling long GRBs using a single shock with relativistic radiation hydrodynamics
我们探讨了一个单一的相对论冲击，其中的气体动力学与辐射耦合，可以适合长伽玛暴的光变曲线的可能性。为此，我们数值求解一维相对论辐射流体力学方程组与一个单一的初始冲击。我们计算光变曲线由于这个冲击波的速度，气体的不透明度，质量密度和辐射能量的密度方面的演变。我们探讨这些参数的变化如何在光变曲线中提供不同的功能。作为例子，我们包括两个长伽玛暴的拟合。
2016-04-12 astro-ph.HE
Diffusive Acceleration of Particles at Oblique, Relativistic, Magnetohydrodynamic Shocks
相对论性激波的扩散激波加速（DSA）是活动星系核中河外喷流和伽马射线暴等多种天体的重要加速机制。这些源仍然是产生超高能宇宙射线的良好候选地点。在本文中，DSA在相对论冲击密切相关的相对论电子和离子的生产的关键预测概述。识别这些特征的技术是对试验粒子、相对论、斜向磁流体动力学（MHD）激波中的这种扩散加速度进行蒙特卡罗模拟。使用一个紧凑的处方MHD湍流中的电荷扩散，这种方法产生的粒子角和动量分布在任何位置的上游或下游的冲击。模拟输出的小角度和大角度散射的情况下，和各种冲击的超光速制度时，霍夫曼-泰勒框架不存在。分布函数幂律指数与其他技术的结果相比毫不逊色。发现它们敏感地依赖于激波中的平均磁场方向，以及在激波环境中沿场传播的MHD湍流的性质。一个有趣的制度的平谱生成的解决，我们提供的证据是由于冲击漂移加速，一种现象，在日光层冲击研究。这些理论结果对耀变体科学的影响进行了概述。具体而言，费米-LAT伽马射线观测这些相对论性喷流源提供了重要的相对论冲击，即场的湍流度，散射的频率和场的湍流水平的环境量的重要约束。
2011-10-27 astro-ph.HE
Relating quasi-stationary one zone emission models to expanding relativistic shocks
对于膨胀球形相对论激波，导出了下游发射区参数与远距离观测量之间的关系。这些关系制定无量纲有效系数与不言自明的尺寸估计相结合。我们的计算考虑到冲击波的洛伦兹因子，几何延迟由于冲击波的前曲率的演变，和角度的频率和亮度的洛伦兹提升的依赖。这些关系主要是为伽马射线暴余辉研究中的应用而设计的，尽管它们可能有更广泛的用途。
2022-11-14 astro-ph.HE
Interaction of a Relativistic Magnetized Collisionless Shock with a Dense Clump
相对论性磁化无碰撞激波与致密团块之间的相互作用被认为对磁场放大和宇宙线加速起着至关重要的作用。我们调查这个过程中的二维粒子在细胞（PIC）模拟的第一次，其中的团块的大小是远远大于下游颗粒的回旋半径。我们还进行了相对论磁流体动力学（MHD）模拟相同的条件下看到的动力学效应。我们发现粒子在PIC模拟中沿着磁场线从激波团中逃逸，因此涡量比MHD模拟中的低。此外，在PIC和MHD模拟中，由于相对论效应，受冲击的块体迅速减速。在相对论无碰撞激波中，由于逃逸和减速，激波团不能放大下游磁场。这种大规模的PIC模拟为理解无碰撞等离子体系统中的大尺度行为打开了一扇新的窗口。
2022-08-15 astro-ph.HE
Cavitation instability in unmagnetized relativistic pair shocks
Ben-Gurion University（本-古里安大学）
该研究揭示了未磁化相对论电子等离子体激波中空洞不稳定性形成机制，通过非线性Weibel不稳定性解释其产生，并探讨其在天体激波中宏观磁场形成中的作用。
2025-11-01 astro-ph.HE
Relativistic oblique shocks with ordered or random magnetic fields: tangential field governs
相对论性磁流体动力学激波是一种有效的粒子加速器，常用于伽马射线暴（GRB）和激波驱动的快速射电暴（FRB）模型中。大多数的理论研究都假设一个垂直的激波，它有一个垂直于激波法线的有序磁场。然而，在冲击动力GRB/FRB场景中的磁化程度$σ$和磁场几何形状仍然受到观测的限制。类似于与总场强相关联的磁化$σ$，我们定义与切向场分量相关联的切向磁化$σ_\perp$。我们探讨了磁化相对论激波的跳跃条件，无论是具有任意倾角的有序场还是具有任意各向异性的随机场。在这两种情况下，我们发现，相对论冲击的跳跃条件是由切向磁化$σ_\perp$，而不是总磁化$σ$，不敏感的倾角或各向异性的冲击前磁场。在这项工作中开发的近似解析解可以作为一个快速检查的数值模拟和应用到理论研究的GRBs/FRBs与更一般的字段几何。
2022-01-07 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 Peak Frequency and Luminosity of Synchrotron Emitting Shocks: from Non-Relativistic to Ultra-Relativistic Explosions
本文提出一个修正的同步辐射激波框架，考虑相对论效应和热电子，适用于非相对论到超相对论爆炸，发现传统框架高估高速激波参数，并得出与观测一致的峰值光度上限。
2024-11-12 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
Diffusive shock acceleration in relativistic, oblique shocks
本文利用PIC与网格磁流体力学相结合的模拟方法，研究相对论性准垂直激波中的粒子加速，发现只要阿尔芬马赫数足够高，此类激波就能通过扩散激波加速过程加速粒子。
2024-07-08 astro-ph.HE
Preferential Positron Acceleration in Relativistic Magnetized Electron-Positron-Ion Shocks
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University（千叶大学理工学研究科）；Institute for Advanced Academic Research, Chiba University（千叶大学高等学术研究院）
本研究通过模拟揭示了相对论磁化激波中正子的偏好性加速机制，表明超相对论激波是脉冲星风中高能正子过剩的主要来源。
2026-02-24 astro-ph.HE
Photospheric emission from GRB 211211A altered by a strong radiation-mediated shock
KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；The Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova University Centre（阿尔巴诺瓦大学中心的奥斯卡·克莱因宇宙粒子物理中心）；IAP Institut d’Astrophysique de Paris, Centre National d’Etudes Spatiales, Sorbonne Université（巴黎天体物理研究所，国家空间研究中心，索邦大学）
GRB 211211A的光球辐射受强辐射介导冲击影响，KRA能更准确拟合其光谱，表明双断点光谱可通过光球辐射解释。
2025-12-15 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
A New Time-Dependent Finite Difference Method for Relativistic Shock Acceleration
本文提出了一种新的方法来计算相对论激波的粒子分布函数，包括同步辐射损失。一个稳定的，连续的，一维的等离子体流被认为是模型厚（修改）的冲击，导致在三维加时间的计算，前三个是动量，俯仰角和位置。该方法准确地再现了上游流速范围从0.1 c到0.995 c（1 < Γ< 10）的激波处动量的预期幂律行为。它还再现了近似的分析结果的同步截止形状的非相对论冲击，表明损失过程是准确的。该算法已被实现为一个混合的OpenMP-MPI并行算法，以有效地利用SMP集群体系结构和规模以及高达数百个CPU。
2011-11-24 astro-ph.HE
Efficiency of internal shocks in magnetized relativistic jets
我们研究了相对论磁化外流中内激波将动能转换为热能/磁能的动力学和辐射效率。对大量圆柱壳碰撞问题进行了参数研究。我们探索了在保持总流量亮度恒定的同时，可变流体磁化如何影响效率，并发现轻度磁化喷流中壳层的相互作用比非磁化流产生更高的动态效率，但辐射效率较低。假设相对论粒子在内部激波加速，计算了不同壳层磁化的多波长辐射特征。
2011-11-15 astro-ph.HE
Kinetic Simulations of Particle Acceleration in Relativistic Perpendicular Electron-positron Shocks with Proton Admixture
本研究通过二维PIC模拟发现，含5%质子掺杂的相对论垂直电子-正电子激波中，质子驱动电磁波的偏振特性使正电子加速到质子能级并形成硬非热谱，而电子能量较低，揭示了等离子体成分对天体物理激波粒子加速的关键作用。
2025-10-01 astro-ph.HE
On the maximum energy of shock-accelerated cosmic rays at ultra-relativistic shocks
本文研究了宇宙射线在弱磁化超相对论冲击波中的最大加速能量。我们表明，对于这样的冲击，其中的高能粒子的散射介导的离子集肤深度尺度结构，可以预期的韦伯介导的冲击，有一个内在的限制，粒子可以被加速的最大能量。这个最大能量是由粒子在下游等离子体框架中必须各向同性的要求确定的，在平均场将它们输送到下游很远的地方之前，这个最大能量大大低于产生超高能量宇宙射线所需的能量。为了绕过这个限制，需要在更大的尺度上有一个高度无序的场。宇宙射线引起的波长上的不稳定性的增长远远长于离子等离子体趋肤深度，上游和下游的冲击，被认为是。虽然这些不稳定性可能在相对论冲击的磁场放大中发挥重要作用，但在与最高能粒子的回旋半径相当的尺度上，计算出的增长率没有足够的时间来修改散射。由于强修正是下游区域粒子重新穿过激波的必要条件，在没有替代散射机制的情况下，这些结果意味着排除了加速到更高能量的可能性。如果弱磁化的超相对论激波一般不被认为是高能粒子加速器，那么寻找超高能宇宙射线的潜在来源就可以缩小。
2014-01-30 astro-ph.HE
Physical Parameters Of The Relativistic Shock Waves In GRBs: The Case Of 30 GRBs
用修正的内激波模型拟合了BATSE观测到的30个伽马射线暴的光谱曲线。从最佳拟合，我们得到的相对论壳的基本参数是在较好的协议与先前给出的预测。我们比较测量的GRB参数与从模型中获得的参数，并讨论它们之间的连接的框架中的物理过程背后的GRB事件。
2012-01-23 astro-ph.HE
Blast waves and reverse shocks: from ultra-relativistic GRBs to moderately relativistic X-ray binaries
本文重新研究了超相对论伽马射线暴与中等相对论X射线双星中冲击波和反向激波的物理异同，发现X射线双星及离轴伽马射线暴中反向激波持续时间显著更长，并提出其反向激波特征可独立约束抛射物洛伦兹因子。
2025-04-10 astro-ph.HE
