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
Re-acceleration of Cosmic Ray Electrons by Multiple ICM Shocks
射电遗迹可能是由星系合并过程中在湍流的团内介质中诱发的多次激波产生的。Kang（2021）证明，与单次DSA相比，通过多次冲击的扩散冲击加速（DSA）对宇宙射线（CR）质子进行再加速可以提高加速效率并使CR谱平坦化。在这里，我们研究CR电子加速通过多次再加速考虑能量损失和减压的粒子分布和磁场在postshock区域之间的连续冲击通道。我们发现，如果前一次冲击比最后一次冲击强，且冲击通过间隔为$\lesssim20$ Myr，则重复再加速的累积效应是显著的。在这种情况下，CR谱和随后的辐射谱后面的最后一个冲击增强，变得比规范DSA幂律形式更平坦。结果，由无线电观测估计的激波马赫数往往高于最后一次激波的实际马赫数。因此，DSA的多个事件可以解释CR电子加速效率的提高和激波马赫数$M_{\rm X} \lesssim M_{\rm rad}$的差异，推断一些观察到的射电遗迹。
2021-08-04 astro-ph.HE
The role of ionization in the shock acceleration theory
我们研究了考虑电离过程的重核在信噪比冲击下的加速。在星际介质中，比氢重的原子在注入的瞬间从未完全电离，它们开始了扩散激波加速（DSA）。我们将证明，当原子已经相对论运动时，原子壳层中的电子在加速过程中被剥离。在典型的信噪比环境中，主要的电离过程是由于背景银河辐射引起的光电离。电离有两个有趣的结果。首先，因为总的光电离时间与Sedov-Taylor阶段的开始相当，所以离子可以实现的最大能量小于DSA的标准结果，其预测$E_{\max}\propto Z_N$。因此，在{ \it knee}区域中的CR光谱的结构可能受到影响。第二个结果是，当电子已经相对论运动时，它们被从原子中剥离，因此它们可以在没有任何预加速机制的情况下启动DSA。我们用线性准定态方法计算了离子和电子被剥离后加速的能谱。我们表明，这些次级电子的数量是足够的占从年轻的SNR观察到的同步辐射，如果发生的磁场的放大。
2011-01-28 astro-ph.HE
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
Particle acceleration in a shock wave propagating to an inhomogeneous medium
我们用蒙特卡罗模拟研究了上游密度起伏对扩散激波加速的影响。模拟结果表明，粒子在激波下游区域被激波前沿产生的声波再加速。估算了声波加速湍流的时间尺度。我们提出了一种新的粒子在激波阵面周围加速的反作用。被加速的粒子通过德鲁里不稳定性产生上游的密度波动，该波动通过激波被转换成下游的声波。下游的声波改变了在激波阵面周围加速的粒子的动量谱。这种新的反作用影响了被加速粒子的发射，这对扩散激波加速的加速效率给出了新的约束。
2020-05-25 astro-ph.HE
Diffusive Shock Acceleration by Multiple Weak Shocks
在星系团的形成过程中，团内介质（ICM）预计平均会经历三次具有低音速马赫数（$M\lesssim 3$）的弱激波。质子和电子都可以通过扩散冲击加速（DSA）在ICM冲击中加速成为高能宇宙射线（CR）。我们检查DSA的影响，包括{ \it在原位}注射/加速在每次冲击的频谱上的加速CR的多次冲击，然后在连续的冲击在测试粒子制度的重复再加速。为了简单起见，假设加速粒子在遇到后续激波之前经历绝热减压而没有能量损失并从系统中逃逸。我们表明，在一般情况下，CR频谱是平坦的多个冲击通道，相比DSA的一个单一的情节，和加速效率增加与连续的冲击通道。然而，由于激波膨胀到星团外围的减压可能会减少多个激波通道对CR谱的放大和平坦化。最后一个激波后的CR谱由所有先前激波重复再加速的累积效应决定，但它对激波马赫数的顺序相对不敏感。因此，冲击的多次通过可能导致CR谱的斜率偏离电流冲击的规范DSA幂律斜率。
2021-06-16 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
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
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
Cosmic ray acceleration at oblique shocks
我们发现，扩散近似打破了粒子加速在斜激波的速度典型的年轻超新星遗迹。高阶各向异性使准平行激波的谱指数变平，使准垂直激波的谱指数变陡。我们比较的理论与观察到的光谱指数。
2011-08-02 astro-ph.HE
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
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
Hybrid Simulations of Particle Acceleration at Shocks
我们提出了大的混合动力（动力学离子-流体电子）模拟粒子加速在非相对论无碰撞冲击的结果。离子加速效率和磁场放大作为冲击倾角和强度的函数进行了详细研究，并与扩散冲击加速理论的预测进行了比较，对于马赫数高达100的冲击。此外，我们讨论了共振和贝尔的不稳定性的冲击前兆的相对重要性，并表明，在自生湍流扩散可以有效地参数化为玻姆扩散放大磁场。
2014-10-07 astro-ph.HE
Cosmic ray acceleration by shocks: spectral steepening due to turbulent magnetic field amplification
我们发现，所需的能量，以强烈地放大磁场在宇宙线（CR）加速冲击提取能量的CR和陡峭的CR能谱。
2019-06-28 astro-ph.HE
Proton Acceleration in Weak Quasi-parallel Intracluster Shocks: Injection and Early Acceleration
具有低音速马赫数的无碰撞激波$M_{\rm s} \lesssim 4$有望通过扩散激波加速（DSA）在团内介质（ICM）中加速宇宙线（CR）质子。然而，在ICM中CR质子的观测证据尚未建立。进行粒子模拟，我们研究了质子注入DSA和早期发展的非热粒子人口在弱冲击高$β$（$\approx 100$）等离子体。入射质子的反射，通过CR驱动的不稳定性的等离子体波的自激发，和多个周期的冲击漂移加速是必不可少的CR质子在超临界准平行冲击的早期加速。我们发现，只有在ICM冲击与$M_{\rm s} \gtrsim M_{\rm s}^*\approx 2.25$，一个足够的分数入射质子被反射的冲击电势和磁镜在局部垂直的磁场的过冲，导致有效的激发磁波通过CR流不稳定性和注入DSA过程。由于ICM冲击的很大一部分具有$M_{\rm s} < M_{\rm s}^*$，ICM中的CR质子加速可能比先前预期的效率低。这也许可以解释为什么质子-质子碰撞导致的星系团弥散伽马射线辐射至今没有被探测到。
2018-07-25 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
Simulations of Ion Acceleration at Non-relativistic Shocks. I. Acceleration Efficiency
我们使用2D和3D混合（动力离子-流体电子）模拟研究粒子加速和磁场放大在非相对论天体物理冲击。我们表明，扩散激波加速操作准平行配置（即，当背景磁场几乎与激波法线成一直线时），对于大的音速和阿尔夫文马赫数，产生与p ^（-4）成比例的普适幂律谱，其中p是粒子动量。加速离子的最大能量随时间增加，它只受有限的盒子大小和运行时间的限制。加速主要对平行和准平行强冲击有效，其中10 - 20%的体动能可以转化为高能粒子，而对准垂直冲击无效。此外，磁湍流的产生与有效的离子加速，并消失的准垂直配置。在非常倾斜的冲击下，离子可以通过冲击漂移加速来加速，但它们的动量仅增加几倍，并且它们的最大能量不随时间增加。这些发现与在SN 1006残骸中观察到的射电和X射线同步辐射的偏振程度和形态是一致的。我们还讨论了从热到非热粒子的离子谱（超热区域）的过渡，我们确定了两个动力学签名特有的有效的粒子加速，即上游前体的形成和标准的冲击跳跃条件的改变。
2014-10-07 astro-ph.HE
Numerical simulations of diffusive shock acceleration in SNRs
提出了一种新的非线性扩散激波加速数值模型。它被用来模拟超新星遗迹中的粒子加速。该模型包含耦合的球对称流体动力学方程和高能质子、离子和电子的输运方程。正向冲击和反向冲击都包括在考虑范围内。测定了超新星遗迹释放到星际介质中的宇宙射线谱。讨论了反向冲击在产生CR离子和正电子中的作用。
2011-09-21 astro-ph.HE
Early acceleration of electrons and protons at the nonrelativistic quasiparallel shocks with different obliquity angles
利用一维粒子模拟方法研究了三种不同几何非相对论性无碰撞激波中质子和电子的早期加速。在模拟中，具有$0.2\, c$速度的带电粒子流向反射边界，并在下游激波框架中产生具有$13.4$的音速马赫数和$16.5$的Alfven马赫数的激波。在这些准平行激波中，当入射角为$θ= 15^\circ$、$30^\circ$和$45^\circ$时，一些质子和电子可以被注入加速过程，它们在动量空间中的下游谱在时间为$1.89\times10^5 ω_{\rm pe}^{-1}$时呈现幂律尾，其中$ω_{\rm pe}$是电子等离子体频率。此外，在激波处反射的带电粒子激发激波上游的磁波。冲击波的扩散角越大，冲击波的漂移加速越显著，但加速粒子的扩散方向与冲击波传播方向平行，更容易参与扩散冲击波加速。在加速早期，$θ= 15^\circ$的激波下游出现了更多的高能质子和电子;而且在上游区，三种质子中$θ_{\rm nB} = 45^\circ$的加速电子谱最难，而$θ_{\rm nB} = 15^\circ$和$45^\circ$的质子谱是相似的，这是激波漂移加速和扩散激波的有效性竞争的结果加速度
2019-08-22 astro-ph.HE
Fast Particle Acceleration at Perpendicular Shocks with Uniform Upstream Magnetic Field and Strong Downstream Turbulence
冲击波通过扩散冲击加速（DSA）机制产生相对论粒子。在各种情况下，快速加速已被预期为垂直冲击。研究了垂直冲击波加速粒子的加速时间和能谱。在我们的模型中，上游垂直磁场没有波动，下游区域是高度湍流。此时，颗粒的运动在上游为回旋运动，下游为类玻姆扩散运动。在这种情况下，我们推导出一个解析形式的加速时间。利用测试粒子模拟，我们的公式的有效性进行了验证。此外，粒子的能谱与标准DSA预测的结果相同。因此，目前提出的机制同时实现了快速加速和正则谱，$dN/dp \propto p^{-2}$，即使没有上游磁放大。
2020-05-31 astro-ph.HE
A self-consistent model of shock-heated plasma in non-equilibrium states for direct parameter constraints from X-ray observations
本文提出一个同时考虑温度与电离非平衡的冲击加热等离子体自洽X射线辐射模型，并将其集成到XSPEC中，可直接约束冲击波速度和电子加热效率，应用于超新星遗迹N132D得到约800 km/s的冲击波速度。
2024-10-01 astro-ph.HE
Particle Spectra from Acceleration at Forward and Reverse Shocks of Young Type Ia Supernova Remnants
利用试验粒子扩散激波加速理论和一维流体动力学模拟方法研究了年轻Ia型超新星遗迹中宇宙线的加速过程。除了在正向冲击加速，我们探讨了粒子加速在反向冲击中存在一个可能的实质性磁场，因此，这种加速的影响上的粒子光谱的残留物。我们调查的频谱的时间演化的各种时间依赖的配置文件的磁场在冲击区的残骸。我们测试的冲击的前兆区域中的散射中心的Alfvénic漂移的粒子谱的可能影响。此外，我们还研究了从射电到伽玛射线的宽波段的辐射光谱和形态。它表明，年轻的Ia型SNRs的宇宙射线粒子人口的反向冲击的贡献可能是显着的，修改粒子的空间分布和显着影响的体积积分粒子谱在年轻的SNRs。特别是光谱结构可能会出现在测试粒子的计算，经常讨论的冲击波的非线性宇宙射线修改的签名。因此，发射的光谱和形态，以及它们的时间演化，不同于纯前向激波的解决方案。
2011-10-03 astro-ph.HE
Semi-analytic Models for Electron Acceleration in Weak ICM Shocks
我们提出了半解析模型的电子动量分布在弱冲击，占原位加速和再加速通过扩散冲击加速（DSA）。在前一种情况下，假设一小部分入射电子在激波斜坡处被反射，并被预加速到所谓的注入动量$p_{\rm inj}$，超过该动量，粒子可以扩散穿过激波过渡并参与DSA过程。这导致DSA幂律分布从反射电子的最小动量$p_{\rm ref}$一直延伸到截止动量$p_{\rm eq}$，受到辐射冷却的约束。在后一种情况下，假设由具有截止的幂律谱指定的化石电子也经由DSA从$p_{\rm ref}$再加速到$p_{\rm eq}$。然后，我们表明，在原位加速模型中，无线电同步辐射的振幅强烈地依赖于冲击马赫数，而它的变化，而在再加速模型弱。考虑到相当动荡的性质，在集群内介质的冲击，这种极端的依赖性，在现场加速度可能不兼容的相对光滑的表面亮度观测射电遗迹。
2020-04-16 astro-ph.HE
Ion acceleration in non-relativistic astrophysical shocks
我们探索的物理冲击演化和粒子加速在非相对论性碰撞冲击使用多维混合模拟。我们分析了广泛的物理参数相关的加速宇宙射线（CR）在天体物理学的非相对论冲击的情况下，如在超新星遗迹（SNR）的冲击。我们探讨了激波结构和粒子加速效率随Alfvénic马赫数和磁场倾角$θ$的变化规律。我们发现，有高和低马赫数的冲击在预激波区和下游产生的电磁湍流方面的根本区别;占主导地位的模式是共振与流CR在低马赫数制度，而共振和非共振模式都存在高马赫数。下游等离子体中的离子的能量幂律尾部可以占进入的上游流能量的高达15%，以能量斜率为$-2\pm0.2$的幂律分布在粒子的$\sim5%$上。能量转换效率（对于CR）在$θ=15^\circ$到$30^\circ$和$M_A=6$时达到峰值，并随着马赫数的增加而降低，对于$M_A=31$则降至$\sim2%$。加速粒子是由扩散冲击加速（DSA）和冲击漂移加速（SDA）机制产生的，SDA对总能量增益的贡献随着磁倾角的增加而增加。我们还提出了一个混合动力和完全动力学粒子在细胞的结果在早期之间的直接比较，这两个模型之间的协议证明了使用混合动力模拟长期冲击演化。在SNR激波中，对于低马赫数准平行流（$M_A < 30$，$θ< 45$），粒子加速将是显著的。这一发现强调了在SNR冲击中需要有效的磁放大机制。
2011-07-05 astro-ph.HE
Shock Acceleration Model with Postshock Turbulence for Giant Radio Relics
我们探讨了巨射电遗迹的激波加速模型，在该模型中，相对论电子通过扩散激波加速（DSA）被星系团外围的合并驱动的激波加速。除了DSA，湍流加速压缩MHD模式下游的冲击，包括以及能量损失的后冲击电子库仑散射，同步辐射，逆康普顿散射的宇宙背景辐射。考虑到只有一小部分的合并集群主机无线电遗迹，我们赞成再加速的情况下，无线电遗迹优先产生时，冲击遇到的地区包含低能量（$γ_{\rm e} \lesssim 300$）宇宙射线电子（CRe）。我们进行了与时间相关的DSA模拟的球形膨胀冲击与相关的香肠无线电遗物的物理参数，并计算从加速CRe的无线电同步辐射。我们发现，显着水平的激波后湍流加速是必需的，以再现广泛的配置文件所观察到的无线电通量密度的香肠遗物。此外，如果假定的激波在大约1000万年前已经扫过并离开了化石CRe的震前区，则可以解释观测到的综合射电谱中的谱弯曲。
2017-06-10 astro-ph.HE
The Multi-Dimensional Structure of Radiative Shocks: Suppressed Thermal X-rays and Relativistic Ion Acceleration
辐射冲击，气体冷却速度比动力学时间快，在许多天体物理瞬变中起着关键作用，包括经典新星和年轻超新星与星周物质的相互作用。高马赫数$\mathcal{M} \gg 1$辐射激波后面的致密层易受薄壳不稳定性的影响，产生"波纹"激波界面。本文采用二维和三维流体动力学模拟方法研究了光学薄辐射激波的热辐射和非热相对论离子的加速。我们采用了移动网格代码和专门的数值技术，以消除人工热传导网格单元。在X射线温度$kT_{\rm sh} \approx (3/16)μm_p v_{\rm sh}^{2}$下，由一维分析得到的激波亮度$L_{\rm tot}$的辐射分数被$\mathcal{M} \approx 4-36$的因子$L(>T_{\rm sh}/3)/L_{\rm tot} \approx 4.5/\mathcal{M}^{4/3}$抑制。这种抑制的部分原因是热激波气体将弱激波驱入低压冷细丝，后者消耗热能的速度比辐射的速度快。结合粒子在细胞的模拟结果扩散冲击加速与整个冲击的倾角分布（相对于上游磁场在冲击平面$-$预期的几何形状的瞬态流出），我们预测的效率和能谱的离子加速。虽然可以忽略不计的加速度预测绝热冲击波，波纹冲击波阵面使局部地区，以满足有效加速所需的准平行磁场的几何形状，导致$\mathcal{M} \approx 12-36$的平均加速效率为$ε_{\rm nth} \sim 0.0…
2018-06-08 astro-ph.HE
Particle acceleration around SNR shocks
本文综述了超新星遗迹中无碰撞激波的粒子加速理论的基本特征。我们展示了如何非线性效应引起的反反应的加速粒子上的冲击动力学是至关重要的，以支持hipotesys的SNRs是银河系宇宙射线的工厂。讨论了扩散激波加速机制建模的最新进展，重点讨论了磁场放大的作用和星周环境中中性粒子的存在。将特别关注信噪比的多波长光谱的非线性效应的观测结果，重点是X射线和伽马射线发射。最后，我们还讨论了如何巴耳末线，从几个年轻的SNR检测，可以用来估计冲击动力学性质和CR加速的效率。
2012-09-26 astro-ph.HE
Preferential Positron Acceleration in Relativistic Magnetized Electron-Positron-Ion Shocks
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University（千叶大学理工学研究科）；Institute for Advanced Academic Research, Chiba University（千叶大学高等学术研究院）
本研究通过模拟揭示了相对论磁化激波中正子的偏好性加速机制，表明超相对论激波是脉冲星风中高能正子过剩的主要来源。
2026-02-24 astro-ph.HE
Particle acceleration by shocks in supernova remnants
粒子加速发生在一系列尺度上，从太阳层的AU到星系团的Mpc，能量范围从MeV到EeV。已经提出了一些加速过程，但扩散冲击加速（DSA）被广泛援引为主要机制。DSA在所有这些尺度上运行，并且可能达到最高能量。DSA是简单的，鲁棒的，并预测一个普遍的频谱。然而，关于粒子加速还有许多未知数。本文主要研究超新星遗迹（SNR）是否能在几个PeV产生到膝盖的银河CR谱。答案在很大程度上取决于扩散激波加速的详细物理过程。
2013-11-22 astro-ph.HE
Cosmic-ray acceleration at collisionless astrophysical shocks using Monte-Carlo simulations
上下文扩散激波加速机制已被广泛接受为银河系宇宙射线的加速机制。虽然自洽混合模拟已经显示了如何产生幂律谱，但关于扩散粒子运动和湍流电磁场相互作用的详细信息仍然难以捉摸。目的。在实验粒子理论的框架下，通过检验所获得的宇宙线能谱，研究了扩散激波加速效应。由此产生的能量谱可以通过这种方式从粒子运动中获得，并且根据规定的湍流模型，可以研究通过等离子体波的随机加速的影响。方法.数值蒙特卡罗模拟代码扩展到包括无碰撞激波。这使得人们可以追踪测试粒子在加速时的轨迹。此外，扩散系数可以直接从粒子运动中获得，这使得可以详细了解加速过程。结果$E^{-2}$能谱的经典结果仅在平行激波时重现，而在所有其他情况下，能谱指数根据激波的对称性而减小。定性地说，这可以用平行和垂直于激波阵面方向上的扩散系数来解释。
2015-06-03 astro-ph.HE
Relativistic Shocks: Particle Acceleration and Magnetization
我们回顾了相对论激波的物理学，它经常被援引为脉冲星风星云（PWNe），伽马射线暴（GRB）和活动星系核（AGN）喷流的非热粒子的来源，并作为超高能宇宙射线的可能来源。我们专注于粒子加速和磁场的产生，并描述了在该领域的理论进步和粒子模拟（PIC）的快速发展的最新进展。在弱磁化或准平行激波中（其中磁场几乎与气流对齐），粒子加速是有效的。被加速的粒子流在冲击波的前面，在那里它们产生强烈的磁波，磁波反过来使粒子在冲击波上来回散射，从而调节它们的加速。相反，在强磁化准垂直冲击，粒子加速和磁场产生的效率被抑制。粒子加速，当有效的，修改周围的冲击波在很长的时间尺度上的湍流，和加速的粒子有一个特征能谱指数~ 2.2的超相对论性的限制。我们讨论了如何将这种新的理解粒子加速和相对论冲击中的磁场产生可以应用到高能天体物理现象，重点是PWNe和GRB余辉。
2015-06-05 astro-ph.HE
The Radio Jet Interaction in NGC 5929: Direct Detection of Shocked Gas
我们报告的运动冲击签名的发现与本地化的无线电喷流相互作用在合并的塞弗特星系NGC 5929。我们探讨了速度依赖的气体电离结构，并发现，低电离气体在相互作用的网站是显着的干扰比高电离气体，我们归因于局部增强的冲击电离由于射流的影响。宽的低电离发射的特征宽度与从气体的电离条件预测的激波速度一致。我们解释了相对突出的冲击的高密度气体的核环境中的星系，并把它们的重要性作为一个反馈机制在塞弗茨的一些限制。
2010-03-02 astro-ph.CO astro-ph.HE
Particle Acceleration at Structure Formation Shocks
宇宙流体动力学模拟表明，在宇宙大尺度结构的分级成团过程中，超音速流运动可以在星系际介质中产生激波。类似于行星际激波和超新星遗迹（SNRs），这些结构形成激波可以通过扩散激波加速宇宙线（CR）质子和电子。外部吸积冲击，形成在非线性结构的最外表面，与SNR冲击一样强，并且可能是高能量CR质子高达$10^{18}$ eV的潜在加速位点。但是，由于与这些吸积冲击相关的极低的动能通量，可能很难检测到它们的特征。另一方面，热的团内介质中的内部激波的辐射特征已被确定为X射线观测中的温度和密度不连续性以及来自加速CR电子的漫射无线电发射。然而，由于$π^0$衰变而无法探测到星系团的伽马射线辐射仍然是一个突出的问题。
2017-06-12 astro-ph.HE
Modeling Magnetic Field Amplification in Nonlinear Diffusive Shock Acceleration
这项研究的动机是最近的观测表明，非常强的磁场在一些超新星遗迹的冲击，这表明在现场产生的磁湍流。本文提出了一个随机磁场强放大的无碰撞冲击数值模型，自洽地耦合到带电粒子的有效冲击加速。该模型基于非线性冲击波中粒子输运和加速的蒙特卡罗模拟，采用非热粒子流存在下磁化等离子体不稳定性的最新解析模型描述了磁场放大。这些结果有助于人们理解强无碰撞冲击中热等离子体、加速粒子和随机磁场之间复杂的非线性联系。此外，预测粒子加速和磁场放大的效率，磁场放大的加速粒子的最大能量的影响，和热等离子体的压缩和加热的冲击。由该模型导出的粒子分布函数和湍流谱可用于计算可观测的非热辐射发射。
2009-04-23 astro-ph.HE
New insights on hadron acceleration at supernova remnant shocks
我们概述了超新星遗迹前向冲击核加速的主要特征，强调了自放大磁场在确定这类源中观察到的能谱中所起的关键作用。特别是，我们展示了如何标准的预测扩散冲击加速的非线性理论必须完成一个额外的成分，我们建议是增强速度的磁性不规则性粒子散射反对，调和理论的有效粒子加速与最近的观测伽玛射线明亮的超新星遗迹。
2013-01-31 astro-ph.HE
Effects of Alfvenic Drift on Diffusive Shock Acceleration at Weak Cluster Shocks
星系团发射的$γ$射线未被探测到，这对宇宙射线（CR）质子在弱无碰撞冲击下的扩散冲击加速（DSA）提出了挑战，这些冲击预计将在星系团内介质中形成。为了解决这个问题，我们在这里探讨可能的作用，阿尔文波自激通过共振流不稳定性在CR加速在平行冲击。阿尔文波的平均漂移可能会增加或减少散射中心压缩比，这取决于激波后的交叉螺旋度，导致CR谱变平或变陡。我们首先检查这样的影响，在平面冲击波的基础上，在小振幅限制的阿尔文波的运输。对于与簇激波相关的激波参数，Alfvénic漂移使CR谱略有增加，导致CR加速效率$η$略有增加。然后，我们考虑两个额外的，物理动机的情况下：（1）postshock波是各向同性通过MHD和等离子体过程中的冲击过渡和（2）postshock波只包含向前波传播的流动，由于可能的CR压力梯度后面的冲击。在这些情况下，阿尔夫文漂移可以减少$η$多达5倍的弱集群冲击。对于这里采用的正则参数，我们建议对音速马赫数为$M_{\rm s}\approx2-3$的激波采用$η\sim10^{-4}-10^{-2}$。$η$的可能减少可能有助于缓解来自星系团的$γ$射线的未检测和DSA预测之间的紧张关系。
2018-02-09 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
Supernova Remnant Shock - Molecular Cloud Interactions: Masers as tracers of hadronic particle acceleration
我们回顾了通过冲击波激发的氢氧脉泽发现的与分子云有强相互作用的星系超新星遗迹。这些遗迹优先发现在已知的GeV和TeV的超新星遗迹检测。有人认为，脉泽跟踪强子粒子加速的网站。我们讨论了什么是已知的物理条件，这些冲击区，我们介绍了一个潜在的新的脉泽示踪剂，用于确定宇宙线加速的网站。这篇评论包括一个相当完整的参考书目，为研究人员新的主题冲击激发脉泽和超新星遗迹。
2011-08-27 astro-ph.HE
X-ray Signatures of Non-Equilibrium Ionization Effects in Galaxy Cluster Accretion Shock Regions
星系团外围区域的密度非常低，碰撞的时间尺度非常长。因此，重元素在通过吸积激波后将处于欠电离状态。我们利用一维流体动力学模拟系统地研究了LambdaCDM宇宙学中弛豫团簇的非平衡电离效应。我们发现，非平衡电离效应不依赖于集团质量，但强烈依赖于红移，这可以理解的自相似标度参数。在红移较低的星系团中，这种效应更强。我们详细地给出了一个大质量星系团在低红移时的X射线特征，如表面亮度轮廓和发射线。在一般情况下，软发射（0.3-1.0千电子伏）显着增强由欠电离，增强可以接近一个数量级附近的冲击半径。我们发现最突出的非平衡电离签名是O VII和O VIII线比。非平衡电离和碰撞电离平衡模型的比率在超过激波半径一半的半径处相差一个数量级以上。这些非平衡电离签名是同样强大的模型具有不同的非绝热冲击电子加热效率。我们还计算了未来国际X射线天文台（IXO）对O VII和O VIII谱线的探测能力。根据测得的谱线比，我们得出结论，用IXO上的X射线微量热谱仪（XMS）对中等红移的大质量规则星系团进行~130-380 ksec的曝光将足以为非平衡电离模型提供强有力的检验。
2010-11-30 astro-ph.CO astro-ph.HE
Relativistic Electron Shock Drift Acceleration in Low Mach Number Galaxy Cluster Shocks
本文研究了低马赫数无碰撞激波中电子激波漂移加速的极端情况，作为星系团中大尺度激波中相对论电子初始加速的合理机制，其中上游等离子体温度为10 keV量级，磁化程度不太小。一维电磁全粒子模拟结果表明，即使冲击波相当温和，一部分热入射电子也会通过相对论冲击波漂移加速而被加速和反射，并在冲击波上游形成局部非热粒子群。被加速的电子可以自产生局部相干波，并进一步被这些波向激波反向散射。这可能是一个场景的第一阶段的电子冲击加速发生在大规模的冲击，在星系团，如CIZA J2242.8+5301具有明确的无线电遗迹。
2011-09-01 astro-ph.GA astro-ph.HE
Exploration of Cosmic Ray Acceleration in Protostellar Accretion Shocks and A Model for Ionization Rates in Embedded Protoclusters
我们建立了一个模型，从原恒星吸积冲击宇宙线加速，并计算由此产生的宇宙线电离率在恒星形成的分子云。将原星团模型与解析吸积激波模型耦合，计算了宇宙线从原恒星表面的加速。我们提出了宇宙射线通量谱从keV到GeV的能量为一个典型的低质量原恒星。我们发现，在冲击表面的频谱遵循幂律的趋势，在6个数量级的能量。衰减后，高能量下的光谱变陡，而低能量下的光谱相对平坦。利用相对论质子计算了原恒星表面和核心边缘的宇宙线压力和电离率。我们提出的宇宙射线电离率为个别原恒星作为其瞬时质量和最终质量的函数。在吸积激波表面，原恒星宇宙线电离率为$ζ\approx 0.01 - 1$ s $^{-1}$。然而，在核心的边缘，宇宙射线电离率基本上下降到$ζ\approx 10^{-20}$到$10^{-17}$ s $^{-1}$之间。宇宙射线电离率存在较大的空间梯度，使得内部区域可能经历大于通常假设的基准率$ζ= 3\times10^{-17}$ s $^{-1}$的宇宙射线电离率。最后，我们计算了5个数量级以上的原恒星团的宇宙线电离率。我们发现，超过约200个原恒星的集群产生更高的宇宙射线电离率在其出生的云比基准银河值。
2018-05-25 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Non-thermal particle acceleration at highly oblique non-relativistic shocks
利用大尺度粒子模拟方法研究了一维空间中电子和离子在非相对论斜激波作用下的非热加速过程。物理参数的选择突出的作用，电子预热注入和随后的加速粒子在高马赫数冲击。模拟结果表明，早期发病的扩散冲击加速过程中的电子和离子在一个高度倾斜的亚光速冲击的证据。$\lesssim 5\%$的离子加速效率在后期测量，尽管这不是饱和值。
2021-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration in interstellar shocks
本文介绍了星际介质中粒子加速过程的基本原理，其基本理论基础是费米机制理论。更具体地说，本文详细介绍了一阶费米加速过程--也称为扩散冲击加速（DSA）机制。在这种情况下，加速是由星际（IS）冲击波引起的。这些IS冲击主要与发射星云（HII区，行星状星云和超新星遗迹）有关。在所有类型的发射星云中，最强的激波与超新星遗迹（SNRs）有关。由于这一事实，它们还提供了最有效的方式来加速ISM粒子成为{高能粒子}，即~宇宙射线（CRs）。因此，审查的重点是在超新星遗迹的强冲击波的粒子加速。
2019-10-14 astro-ph.GA astro-ph.HE
Diffusive shock acceleration at laser driven shocks: studying cosmic-ray accelerators in the laboratory
负责许多天体物理系统的发射的非热粒子谱被认为是通过一阶费米过程（也称为扩散激波加速）来自激波。同样的机制也被广泛认为是高能宇宙射线产生的原因。随着人们对激光等离子体中无碰撞激波物理的兴趣日益增长，在受控实验室中再现和检测激波加速度的可能性应该被考虑。必须满足的各种实验限制进行审查。它表明，几个目前正在运行的激光设施可能满足必要的标准，以确认发生的扩散冲击加速的电子在激光产生的冲击。在实验室中成功再现费米加速可以打开一系列的可能性，提供对发生在宇宙射线的天体物理源附近的复杂等离子体过程的深入了解。
2012-11-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Monte Carlo Simulations of Nonlinear Particle Acceleration in Parallel Trans-relativistic Shocks
我们提出了一个粒子加速的平行无碰撞激波的蒙特卡罗模拟的结果。我们的模拟，它包含参数化的散射和一个特定的热泄漏注入模型，计算加速粒子之间的反馈的冲击，影响冲击前兆和“平滑”的冲击，和热粒子注入。我们发现，有一个过渡之间的非相对论冲击，其中的加速效率可以非常高，非线性压缩比可以大大大于朗肯-雨果尼奥值，和完全相对论冲击，其中扩散冲击加速效率较低，压缩比保持在朗肯-雨果尼奥值。这种转变发生在反相对论区域，对于我们使用的特定参数，发生在激波洛伦兹因子= 1.5附近。我们还发现，非线性冲击平滑大大降低了加速效率假定发生在超相对论冲击的大角度散射。我们能够无缝地处理从超相对论性到反相对论性到非相对论性冲击的转变，这对于演化相对论性系统（如伽马射线暴和Ibc型超新星）可能很重要。我们预计，冲击加速谱的实质性演变，在这个过渡期间，从软早期硬得多时，冲击波冲击成为非相对论。
2013-08-23 astro-ph.HE physics.space-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
Particle acceleration at magnetized, relativistic turbulent shock fronts
本文首次通过模拟证明，在轻度相对论性磁化正负电子对激波中，强湍流可在超光速位形下重新激活粒子加速，并产生幂律谱，且高磁化时湍流随机加速可取代激波加速。
2023-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Diffusive Shock Acceleration at Cosmological Shock Waves
我们重新审视非线性扩散冲击加速（DSA）在宇宙的大尺度结构的宇宙学冲击，纳入波粒子相互作用，预计在碰撞冲击。采用宇宙线（CR）流动不稳定性和阿尔芬漂移引起的磁场放大（MFA）的简单唯象模型，对大范围的音速和阿尔芬马赫数进行了动力学DSA模拟，并对CR注入率和加速效率进行了评估。在我们的DSA模型中，CR加速效率主要取决于音速马赫数Ms，而MFA因子则取决于Alfven马赫数和CR对激波的修正程度。结果表明，在强CR修正激波下，如果散射中心在放大磁场中以有效Alfven速度漂移，CR能谱变陡，加速效率显著降低.结果，对于Ms>~ 10的强地震，震后CR压力大约在冲击压力的~ 20%处饱和.在试验粒子区（Ms<~ 3），虽然在低马赫数冲击下的相关等离子体物理过程仍然很不确定，但预计磁场不会被放大，阿尔芬漂移效应也不显著。
2012-12-13 astro-ph.CO astro-ph.HE
Reinterpretation of the Fermi acceleration of cosmic rays in terms of the ballistic surfing acceleration in supernova shocks
Space Research Centre, Polish Academy of Sciences（波兰科学院空间研究中心）
研究重新解释宇宙射线加速机制，指出费米机制不成立，球面冲浪加速能更准确描述超新星冲击中的加速过程及能谱特征。
2024-07-22 astro-ph.HE physics.space-ph
Constraining the efficiency of cosmic ray acceleration by cluster shocks
利用ENZO网格模拟研究了无碰撞结构形成激波对宇宙射线的加速。来自FERMI卫星的数据使得能够使用星系团作为粒子加速模型的试验台。基于先进的宇宙学模拟，包括气体和宇宙射线物理的不同处方，我们使用预测的γ射线发射来约束冲击加速效率。我们推断，对于宇宙冲击，特别是对于2<M<5的合并冲击，效率必须平均<0.1%，这些合并冲击主要是造成团内介质热化的原因。这些结果出现，无论是从非辐射和辐射运行，包括从活动星系核的反馈，以及从一个类似于MACSJ1752.0+0440集群的缩放reimulations。我们报告的加速效率的限制低于文献中迄今为止所假设的。结合星系团射电辐射的信息，看来对ICM中激波加速的现有认识的修正是不可避免的。
2016-03-08 astro-ph.GA astro-ph.HE
Diffusive shock acceleration at oblique high Mach number shocks
目前宇宙线起源理论认为，银河系中的大部分宇宙线是由超新星遗迹产生的。超新星爆发后，超新星喷出物与星际介质相互作用产生激波，通过扩散激波加速（DSA）实现CR加速。我们使用粒子模拟和PIC-磁流体动力学（PIC-MHD）相结合的技术来研究DSA是否可以发生在斜高马赫数激波。使用PIC方法，我们跟踪激波的形成，并确定参与DSA的粒子的分数。在此基础上，利用PIC MHD模拟等离子体的大尺度结构和激波周围的磁场，研究反射粒子是否能产生上游湍流并触发DSA。我们发现，在斜激波中，DSA过程的可行性强烈地依赖于Alfvenic马赫数，并且DSA过程更可能在高马赫数激波中触发。
2022-03-04 astro-ph.HE physics.space-ph
Limiting the shock acceleration of cosmic-ray protons in the ICM
对大尺度射电辐射的观测证明了星系团中存在激波加速的宇宙射线电子，而探测到的$γ$射线的缺乏限制了星系团中宇宙射线质子的加速。这挑战了我们对扩散冲击加速如何工作的理解。在这项工作中，我们夫妇的最新配方的冲击加速在集群内介质的国家的最先进的磁流体动力学模拟的大规模星系团。此外，我们使用被动示踪粒子来跟踪加速宇宙线的演化。我们表明，当考虑到磁场拓扑结构和加速宇宙射线反馈之间的相互作用时，粒子加速理论的最新发展给出了与观测约束相容的结果。
2020-04-21 astro-ph.CO astro-ph.HE
Particles Acceleration in Converged Two Shocks
观测结果表明，在某些CME驱动的大震中，在1- 10 MeV的E $_{break}$中存在质子谱“破缺”。理论模型通常将这种现象归因于扩散冲击加速度。然而，冲击加速的基本物理仍然不确定。虽然以前的数值模型很难预测这种“中断”，由于计算费用高或现有的模型的缺点，本文的重点是模拟这种能量谱在收敛的两个冲击的Monte Carlo数值方法。考虑到2006年12月13日日冕物质抛射驱动的冲击与地球弓形冲击的相互作用，我们研究了能谱“断裂”是否会发生在两个冲击之间的相互作用。结果表明，我们确实得到了最大质子能量达10 MeV，这是研究能谱“断裂”存在的前提。意外地，我们进一步发现质子谱“破缺”出现明显的能量$\sim$ 5 MeV。
2015-09-26 astro-ph.HE astro-ph.SR
Shock acceleration with oblique and turbulent magnetic fields
我们调查冲击波加速在一个现实的天体物理环境与密度不均匀性。由激波前兆与上游密度波动的相互作用引起的湍流通过湍流发电机放大上游和下游磁场。电动机放大的湍流磁场（a）沿激波面引入激波折射率的变化，（b）通过激波漂移和扩散过程的组合实现能量增益，（c）引起加速粒子的各种光谱指数，（d）调节平行于和垂直于磁场的粒子扩散，以及（e）增加激波加速效率。我们的研究结果表明，上游密度不均匀性和发电机放大的磁场冲击加速起着重要的作用，因此冲击加速取决于周围的星际环境的条件。本文还讨论了这一结果对理解超新星遗迹射电谱的意义。
2021-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
