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
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
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
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
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
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
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
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
Acoustic instability in the neutral precursor region of collisionless shocks propagating into partially ionized plasmas
近年来对部分电离等离子体中无碰撞激波的研究表明，部分中性粒子会从激波的下游泄漏到激波的上游。在本文中，我们进行了线性分析，并表明，声波是不稳定的中性前兆区域。声学不稳定性放大了上游区域的磁场和密度的波动。波动是不可缺少的扩散激波加速，并可能是重要的下游湍流。
2014-02-04 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
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
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
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
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 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
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
A thin-shell instability in collisionless plasma
薄壳层不稳定性是天体物理等离子体在碰撞（流体）尺度上产生纠缠结构的过程之一。它是由一个空间变化的不平衡之间的冲压压力的流入上游等离子体和下游的热压力在非平面冲击驱动。在这里，我们表明通过一个粒子在细胞（PIC）模拟，一个类似的过程可以不稳定的薄壳形成的两个相互渗透，未磁化和碰撞等离子体云。当壳层由分段线性片连接而成时，壳层的空间调制幅度在约10个逆质子等离子体频率之后增长并饱和。
2015-09-15 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$。
2014-10-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: allowed solutions
等离子体中的冲击波通常用磁流体力学（MHD）来处理。然而，MHD需要一个短的平均自由程的假设，这是不符合无碰撞等离子体。最近，对等离子体，我们设计了一个模型，允许占内的MHD形式主义的动力学效应。它依赖于对穿越前缘时产生的各向异性的估计，以及对下游各向异性稳定性的后续评估。我们解决了我们的模型的平行，垂直和开关的冲击。在这里，我们之间的桥梁，所有这些情况下处理的问题，任意的，但共面，定向磁场。即使提出的形式主义是有效的各向异性的上游温度，只有一个冷上游的情况下解决。我们发现额外的解决方案，这是不是MHD目录的一部分，和密度跳变，是显着少的准平行，高磁化，制度。由于计算的复杂性，这项工作主要致力于介绍我们的模型的数学方面。即将发表的一篇文章将专门讨论这里定义的冲击的物理学。
2022-11-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
A model of global magnetic reconnection rate in relativistic collisionless plasmas
建立了一个相对论无碰撞等离子体中整体磁重联率的模型，并通过全动力学模拟进行了验证。通过考虑扩散区上游和下游的力平衡，我们证明了在强磁化等离子体中，即使当局部速率达到$\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$的约束.所导出的模型是通用的，可应用于各种情况下的磁重联。
2016-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
ULF wave transmission across collisionless shocks: 2.5D local hybrid simulations
我们研究了上游超低频（ULF）波与无碰撞冲击的相互作用，通过分析11个二维局部混合模拟运行的输出。我们模拟的激波的Alfvénic马赫数在4.29-7.42之间，它们的$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
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
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 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
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
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
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
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
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
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
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
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
The Importance of Heat Flux in Quasi-Parallel Collisionless Shocks
University of Chicago（芝加哥大学）；West Virginia University（西弗吉尼亚大学）；Clemson University（克莱姆森大学）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）
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
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
A nonlinear Monte Carlo model of super-diffusive shock acceleration with magnetic field amplification
宇宙等离子体中的快速无碰撞冲击将它们的动能流转化为热的下游热等离子体，其中相当大一部分能量进入超热带电粒子和磁波动的广谱。超热粒子可以穿透到激波上游区域，产生扩展的激波前兆。冷的上游等离子体流被超热粒子压力梯度提供的力减速。在高马赫数无碰撞激波中，有效的粒子加速可能与由加速粒子的各向异性分布产生的湍流磁场放大（MFA）相耦合。这种各向异性是由快速粒子输运决定的，使得问题具有强非线性和多尺度性。在这里，我们提出了一个非线性Monte Carlo模型的无碰撞冲击结构与超扩散传播的高能费米加速粒子耦合粒子加速和MFA提供了一个一致的描述强冲击。蒙特卡罗技术的一个显著特征是它包括在所有前体位置处的粒子分布的全角度各向异性。该模型揭示了高能粒子的超扩散传输（即，Levy-walk传播）在前体颗粒分布中产生强的四重各向异性。高能粒子的合成压力各向异性产生非共振镜型不稳定性，该不稳定性放大波长比由冲击产生的最高能量质子的回旋半径长的可压缩波模式。
2017-03-28 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
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
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
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
The interaction between shocks and plasma turbulence: phase space transport
数值研究了无碰撞激波与充分发展的等离子体湍流的相互作用。混合动力学模拟，湍流射流对斜激波猛烈抨击，是用来解决等离子体传输上游湍流的作用。提出了一种新的技术，使用粗粒化的弗拉索夫方程，表明传输特性强烈依赖于上游湍流强度，湍流结构调制模式。这些结果对于理解空间等离子体中的加速和加热过程可能是相关的。
2020-11-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Microinstabilities at perpendicular collisionless shocks: A comparison of full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用全粒子模拟方法研究了垂直无碰撞激波阵面处产生的微观不稳定性。冲击波的结构和动力学由阿尔芬马赫数和等离子体β决定，而微不稳定性由上游体速度与电子热速度和等离子体与回旋频率的比率控制。因此，微不稳定性的增长率的离子-电子质量比的变化，即使在相同的马赫数和等离子体β。二维模拟结果表明，在较低的质量比下，电子回旋漂移不稳定性占主导地位，并激发出静电电子回旋谐波。当质量比较大时，修正双流不稳定性占主导地位，并激发斜电磁哨声波，通过修正激波磁场影响无碰撞激波的结构和动力学.
2012-04-10 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
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
Kinetic Simulations of Strongly-Magnetized Parallel Shocks: Deviations from MHD Jump Conditions
激波是天体物理等离子体系统中普遍存在的一种现象，也是能量耗散和传递的重要过程。这些冲击波的物理经常被视为/模拟为碰撞，流体MHD不连续性，尽管事实上，许多冲击发生在无碰撞制度。有鉴于此，使用完全动力学，非相对论，平行传播的电子-正电子等离子体组成的无碰撞冲击的三维模拟，我们详细的偏差无碰撞冲击形式MHD预测不同的磁化/Alfvénic马赫数，特别关注系统的Alfénic马赫数远小于声波马赫数。我们表明，冲击压缩比降低足够大的上游磁场，与Bret & Narayan（2018）的预测一致。此外，我们还研究了磁场强度对冲击波阵面宽度的影响。这项工作加强了越来越多的工作，这些工作表明，仅用流体等离子体描述来建模许多天体物理系统忽略了潜在的重要物理。
2021-10-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Relativistically Magnetized Collisionless Shocks in Pair Plasma: I. Solitons, Chaos, and Thermalization
本文提出相对论性磁化无碰撞激波的新理论模型，揭示其耗散源于准周期孤子结构中轨道混沌而非集体等离子体作用，并恢复Rankine-Hugoniot条件、推导熵产生率与热化过程。
2025-05-06 astro-ph.HE nlin.CD physics.plasm-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
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
On the width of a collisionless shock and the index of the cosmic rays it accelerates
本研究通过不稳定性分析推导存在宇宙线时无碰撞激波的宽度，得到其与宇宙线谱指数、上游加速粒子占比的解析关系，发现占比超约30%时激波宽度剧增且加速终止，为相关观测和激波结构研究提供启示。
2024-05-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
