The effect of cooling on particle trajectories and acceleration in relativistic magnetic reconnection
160兆电子伏的最大同步加速器烧毁极限代表了一个基本的限制，在一个区域的理想等离子体中的电磁粒子加速辐射。然而，在磁重联中，由于扩散区的电场大于磁场，粒子加速和辐射是解耦的。我们进行了二维粒子模拟，以确定在何种程度上磁重联可以产生同步辐射以上的烧毁限制。我们使用的测试粒子比较（TPC）的方法来隔离冷却的影响，通过比较的轨迹和加速效率的测试粒子入射在这样的重联区域与不冷却它们。我们发现，冷却和未冷却的粒子轨迹通常是相似的，在加速过程中的重联区域，并推导出一个有效的限制粒子加速，这是成反比的平均磁场的粒子在加速过程中所经历的。使用计算的平均磁场的分布作为未冷却的最终粒子能量的函数，我们发现分析冷却不影响幂律粒子的能谱，除了在能量远远高于同步加速器烧毁限制。最后，我们比较了完全冷却和未冷却的重联模拟，确认同步加速器烧毁极限不会产生截止粒子能谱。我们的研究结果表明，TPC方法准确地预测冷却对粒子加速的相对论重联的影响，即使远高于燃尽极限，重联中产生的辐射的同步辐射能量不受冷却的限制。
2016-10-17 astro-ph.HE
The Mechanism of Electron Injection and Acceleration in Trans-Relativistic Reconnection
磁重联过程中的电子加速被认为在天体物理系统的时变高能辐射中起着关键作用。利用粒子模拟方法研究了低$β$电子-质子等离子体中的电子注入和加速机制。我们建立了密度和场结构的多样性（例如，X点和等离子体团）通过改变引导场强度并选择是否触发重连或让它自发地演变。我们表明，X点和等离子体团的数量控制电子加速的效率，与更多的X点导致更高的效率。使用在飞行中的加速诊断，我们还表明，与X点相关的非理想电场在电子加速的第一阶段起着至关重要的作用。作为进一步的诊断，我们包括两个群体的测试粒子，选择性地经验只有某些成分的电场。我们发现平行电场的面外分量决定了电子能量分布的高能尾部的硬度。这些结果进一步加深了我们对磁重联中电子加速的理解，并对黑洞吸积流的现实模型产生了影响。
2019-08-16 astro-ph.HE
Particle Acceleration in Turbulence and Weakly Stochastic Reconnection
快粒子在天体物理环境中通过各种过程被加速。重联点的加速度近年来引起了研究者的关注。本文分析了在不同磁重联组态的三维磁流体动力学（MHD）模拟中注入的测试粒子的能量分布演化。当考虑单个Sweet-Parker拓扑时，粒子主要通过一阶费米过程加速，如先前的工作（de Gouveia Dal Pino & Lazarian，2005）所预测的，并在Kowal，de Gouveia Dal Pino & Lazarian（2011）中进行了数值演示。当湍流包括在电流片，加速率，这取决于重联率，是非常增强。这是因为在湍流存在下的重连变得快速并且与电阻率无关（Lazarian & Vishniac，1999; Kowal等人，2009）并允许形成填充有多个同时重连的磁通量的厚体积。被困在这个体积内的带电粒子遭受几个迎面散射与收缩的磁波动，这显着增加了加速率，并在一阶费米过程的结果。为了进行比较，我们还测试了MHD湍流中的加速，在这种湍流中，粒子受到接近和后退的磁不规则性的碰撞，导致加速率降低。我们认为，在这种情况下，占主导地位的加速机制接近二阶费米过程。
2012-02-23 astro-ph.HE
Cosmic Ray Acceleration in Magnetic Reconnection Sites
宇宙射线（CR）加速仍然是研究人员面临的挑战。在天体物理环境中，快粒子可以通过各种过程被加速。特别是在磁重联站点的加速，最近吸引了研究人员的注意，不仅因为它在太阳系背景下的潜在重要性，而且在其他天体物理环境中，如致密恒星源，AGN和GRB，甚至在ISM和IGM等扩散介质中，特别是当环境是磁主导时。在这次演讲中，我们回顾了这一过程，并提出了三维碰撞MHD模拟，注入了数千个测试粒子，从它们的能谱的演变中可以看出，它们可以通过大尺度磁流片内的一阶费米过程通过重联有效地加速（特别是当局部湍流存在时，这使得重联快速，加速层较厚）。
2014-01-20 astro-ph.HE
Beaming of particles and synchrotron radiation in relativistic magnetic reconnection
相对论性重联在许多天体物理系统中被用作粒子加速的机制。根据理想化的分析模型，重联产生了大量的相对论流出出现的重联网站（X点）。因此，产生的辐射是高度集中的。使用二维粒子在细胞（PIC）模拟，我们调查粒子和辐射束，发现一个非常不同的图片。我们发现，在X点上粒子的体运动与它们的洛伦兹因子γ相似，粒子的束流在5/γ以内，而不是在静止坐标系中具有各向同性电子速度分布的相对论平均体运动。在从X点到磁岛的过程中，粒子在磁场中转动，形成一个局限于电流片的扇形。一旦它们到达岛屿，它们在完成一个完整的拉莫尔回转后就各向同性了，它们的辐射不再强烈。给定频率下的辐射图案取决于相应的发射电子辐射其能量的位置。缓慢冷却的低能粒子大部分时间都在岛上度过，它们的辐射并不强烈。只有在X点边缘快速冷却的粒子才会产生高度光束化的扇形辐射图案。从这些快速冷却的粒子中出现的辐射高于燃尽极限（在重新连接等离子体的整个静止框架中约为100 MeV）。这对在该框架中以低得多的能量激发光束的GRB和AGN模型具有重要意义。
2016-07-03 astro-ph.HE
Magnetohydrodynamic Simulations of Reconnection and Particle Acceleration: Three-Dimensional Effects
磁场可以通过称为磁重联的过程改变其拓扑结构。这一过程不仅对理解大尺度磁场的起源和演化具有重要意义，而且被视为一种可能有效的粒子加速器，主要通过一级费米过程产生宇宙射线。在这项工作中，我们研究了粒子加速的性质在重联区，并表明，平行于磁场的测试粒子插入在近非电阻磁流体动力学（MHD）域的重联不包括动力学效应，如压力各向异性，霍尔项，或异常的影响，速度分量呈指数增长。此外，垂直分量的加速度在这种模型中总是可能的。我们已经发现，在收缩的磁岛或电流片内，粒子主要通过一阶费米过程加速，如前所述，而在电流片和岛外部，粒子主要经历由于磁场梯度引起的漂移加速。考虑无导场的二维MHD模型，我们发现平行加速在某一水平停止。然而，在存在平面外引导场或三维模型的情况下，这种饱和效应被去除。因此，我们强调的重要性，引导场和完全三维的研究，一个完整的理解过程中的粒子加速在天体物理重联环境。
2011-03-15 astro-ph.HE
Particle acceleration by turbulent-driven magnetic reconnection and the production of gamma-rays and neutrinos in AGNs
本文回顾了3D湍流磁重联如何高效驱动粒子加速至极高能量，并探讨其在AGN喷流和吸积盘中解释伽马射线与中微子发射的潜力。
2025-04-04 astro-ph.HE
On the distribution of particle acceleration sites in plasmoid-dominated relativistic magnetic reconnection
我们调查粒子加速网站的分布，独立于实际的加速机制，在等离子体团主导的，相对论性无碰撞磁重联通过分析粒子在细胞的数值模拟的结果。模拟开始与哈里斯型电流层对等离子体中没有引导磁场，辐射损耗可以忽略不计，没有初始扰动，并使用周期性的边界条件。我们发现，等离子体团发展一个强大的内部结构，冷致密的核心和热外壳，这是恢复后，每个等离子体团合并的动态时间尺度。我们使用时空图的重联层探测的等离子体团的演变，并在此背景下，我们调查了一个有代表性的样本的高能电子的单个粒子的历史。我们区分了三类粒子加速点：（1）磁性X点，（2）合并等离子体团之间的区域，（3）加速等离子体团的后缘。我们评估了每类加速站点对高能电子最终能量分布的贡献-磁性X点在中等能量下占主导地位，合并等离子体团之间的区域在较高能量下占主导地位。我们还确定了占主导地位的加速方案，按照重要性递减的顺序-（1）合并等离子体团之间的单一加速，（2）在磁性X点的单一加速，以及（3）在磁性X点的加速，然后在等离子体团中加速。粒子加速只在静止等离子体团附近是不存在的。在相对论重联中，等离子体团收缩引起的磁镜效应并不显著。
2015-11-11 astro-ph.HE
Fluid and Magnetofluid Modeling of Relativistic Magnetic Reconnection
利用双流体和磁流体模型研究了相对论性磁重联的流体尺度演化。相对论双流体模拟显示了动力学尺度以外的中尺度演化，并呈现准定常Petschek型重联。电阻相对论MHD模拟进一步显示了下游磁岛（等离子体团）内和周围的新激波结构。这些模型的一般讨论。
2011-10-13 astro-ph.HE
Properties of the First-order Fermi acceleration in fast magnetic reconnection driven by turbulence in collisional MHD flows
快速磁重联可能发生在不同的天体物理源中，产生类似耀斑的发射和粒子加速。目前，这个过程正在研究作为一种有效的机制，通过一阶费米过程加速粒子。在这项工作中，我们分析的加速率和能量分布的测试粒子注入三维磁流体动力学（MHD）域与大规模的电流片的重联是快速的湍流的存在。我们研究了粒子加速时间与嵌入湍流相关参数的依赖关系，Alfvén速度$V_{\rm A}$、注入功率$P_{\rm inj}$和比例$k_{\rm inj}$（$k_{\rm inj} = 1/l_{\rm inj}$）。我们发现，加速时间遵循幂律依赖于粒子动能：$t_{acc} \propto E^α$，与$0.2 < α< 0.6$的$c / V_{\rm A} \sim 20 - 1000$的值的巨大范围。加速时间随阿尔文速度（因此也随重联速度）的增加而减小，与预期的一样，具有近似的依赖关系$t_{acc} \propto (V_{\rm A} / c)^{-κ}$，对于达到$1 - 100 \, m_p c^2$之间动能的粒子，分别具有$κ\sim 2.1- 2.4$。此外，我们发现，加速时间仅弱依赖于$P_{\rm inj}$和$l_{\rm inj}$参数的湍流。粒子谱发展了一个高能量的尾巴，它可以在加速的早期由硬幂律拟合，与无碰撞等离子体中磁重联粒子加速的动力学研究结果一致。
2016-09-27 astro-ph.HE
Magnetic Reconnection, Cosmic Ray Acceleration, and Gamma-Ray emission around Black Holes and Relativistic Jets
粒子加速的磁重联是目前公认的一个重要过程，在磁主导区的银河系和河外黑洞源。这一过程有助于解决目前的困惑，特别是在这些来源的非常高的能量耀斑发射的起源。在这篇综述中，我们讨论了这种加速机制，并显示最近的分析研究和多维数值SRMHD和GRMHD（特殊和广义相对论磁流体动力学）模拟注入测试粒子，这有助于我们理解这一过程中的相对论射流和这些来源的日冕区域。本文还讨论了重联加速粒子所产生的极高能量和中微子辐射。
2019-03-19 astro-ph.HE
Non-thermal particle acceleration in collisionless relativistic electron-proton reconnection
相对论性无碰撞等离子体中的磁重联可以加速粒子，并在各种天体物理系统中提供高能辐射。虽然大多数以前的研究集中在对等离子体中的相对论重联，很少注意到电子-离子等离子体重联，预计在黑洞吸积流和相对论喷流。我们报告了一个全面的粒子在细胞中的电子离子等离子体中的重联的数值研究，跨越了广泛的环境离子磁化$σ_i$，从半相对论性制度（超相对论性电子，但非相对论性离子，0.001 $σ_i$ <<1）的完全相对论性制度（两个物种都是超相对论性，$σ_i$ 1）。我们调查如何重联率，电子和离子等离子体流，电场和磁场结构，电子/离子能量分配，和非热粒子加速依赖于$σ_i$。我们的主要发现是：（2）即使在半相对论性的小$σ_i$区，电子也能形成集中的中等相对论性流出;（3）虽然在超相对论极限中释放的磁能在电子和离子之间平均分配，在半相对论区域，电子能量分数随着$σ_i$的减小而逐渐减小，并逐渐接近0.25;（4）重联导致有效的非热电子加速，具有$σ_i$依赖的幂律指数$p(σ_i) \simeq $ const $+0.7 {σ_i}^{-1/2}$。这些发现对于理解黑洞系统非常重要，并支持blazar喷流中非热发射的半相对论重联模型，为这些系统中观察到的光谱指数提供了自然的解释。
2017-12-23 astro-ph.HE
Reconnection and particle acceleration in interacting flux ropes -- II. 3D effects on test particles in magnetically dominated plasmas
我们分析了磁主导的质子-电子等离子体中爆炸性重联事件的粒子加速。重联是由相互作用的载流磁通管中的大规模磁应力驱动的。我们的模型依赖于宏观尺度上电流驱动的不稳定性的发展。这些倾斜扭结不稳定性是在排斥电流通道的最初无力平衡中发展的。使用MHD方法，我们研究了一个三维模型的排斥和相互作用的通量管中，我们同时进化的测试粒子，从MHD获得的电磁场引导。我们确定两个阶段的粒子加速;最初粒子加速电流通道，之后的通量绳开始倾斜和扭结和粒子加速由于在等离子体中的重连过程。爆炸阶段的重联产生非热能分布的斜率取决于等离子体电阻率和粒子的初始速度。我们还讨论了磁通绳长度对粒子加速度和能量分布的影响。这项研究将以前的2.5D结果扩展到3D设置，提供了模拟现实场景所需的所有成分，如太阳耀斑，黑洞耀斑和脉冲星风星云中的粒子加速：形成强电阻电场，爆炸性重连和非热粒子分布。通过假设电子和质子之间的初始能量均分，应用低电阻率根据太阳日冕条件和限制的磁通绳长度的一小部分的太阳半径，我们得到现实的能量分布太阳耀斑与非热功率法尾巴和最大电子能量高达11兆电子伏和最大质子能量高达1 GeV。
2019-02-06 astro-ph.HE
The impact of resistive electric fields on particle acceleration in reconnection layers
在高能天体物理环境中粒子加速的背景下，具有磁重联，与对流场相比，电场的电阻项的重要性仍在争论中。在这项工作中，我们提出了一个定量分析，通过二维磁流体动力学数值模拟撕裂不稳定的电流片耦合到一个测试粒子的方法，PLUTO代码进行。我们发现，电阻场在高能粒子的早期碰撞中起着重要的作用。实际上，当这些粒子穿过在电流片碎裂期间产生的X点时，由于电阻性电场，这些粒子首先被加速。如果忽略这种由电阻场主导的粒子加速机制，粒子就不能达到同样高的能量。因此，我们的结果支持的结论，电阻场不仅是不可忽略的，但它确实在粒子加速机制中发挥了重要作用。
2022-10-03 astro-ph.HE
Particle acceleration by magnetic reconnection in relativistic jets: the transition from small to large scales
本研究通过MHD-PIC模拟证实，相对论喷流中湍流驱动的磁重联能在各尺度通过背景涨落理想电场将粒子加速至极端超高能，且背景磁场动态变化不影响加速过程。
2023-06-12 astro-ph.HE
Particle acceleration by relativistic magnetic reconnection driven by kink instability turbulence in Poynting flux dominated jets
磁化相对论性喷流中的粒子加速仍然困扰着理论家，特别是当人们试图解释在blazar喷流或伽马射线暴中观察到的高度可变的发射时，这给当前的模型带来了严重的限制。在这项工作中，我们研究了粒子的加速注入到三维相对论磁流体射流受到电流驱动扭结不稳定性（CDKI），驱动湍流和快速磁重联。测试质子注入在几乎静止的射流快照，经历指数加速到最大能量。对于$B \sim 0.1$ G的背景磁场，该饱和能量为$\sim 10^{16}$ eV，而对于$B \sim 10$ G，其为$\sim 10^{18}$ eV。模拟还揭示了加速粒子与快速重联区域的明确关联。在射流中CDKI的非线性增长发展的早期阶段，当仍然没有快速重联的位点时，注入的粒子也被有效地加速，但是通过摆动的射流脊柱中的磁曲率漂移。然而，它们必须以远大于粒子在重联点加速所需的初始能量注入。最后，我们还从模拟中获得了由于重连而引起的加速时间，该加速时间对粒子能量$E$，$t_A \propto E^{0.1}$具有弱依赖性。加速粒子的能谱在加速开始时发展出一个高能量尾，其幂律指数为$p \sim$ -1.2，与早期的工作一致。我们的研究结果提供了一个适当的多维框架，探索这一过程中的实际系统，并解释其复杂的发射模式，特别是在非常高的能带和相关的中微子发射最近在一些耀变体中检测到。
2020-12-27 astro-ph.HE
Observational Evidence of Particles Acceleration by Relativistic Magnetic Reconnection in Gamma-ray Bursts
本研究通过分析GRB 160625B和GRB 160509A的光谱断裂演化，首次提供相对论性磁重联加速粒子的观测证据，并揭示光谱指数与通量关系及E_cut-L_iso反相关，为天体粒子加速物理提供新诊断途径。
2024-07-19 astro-ph.HE
Electron and Proton Acceleration in Trans-Relativistic Magnetic Reconnection: Dependence on Plasma Beta and Magnetization
通过磁重联的非热电子加速被认为在为黑洞周围辐射效率低的吸积流的可变X射线发射提供动力方面起着重要作用。在这种流动中经常遇到磁重联的反相对论区域，其中磁化强度$σ$（定义为磁能密度与焓密度的比值）为$\sim 1$。通过一个大的二维粒子模拟套件，我们调查的电子和质子加速的trans-relativistic制度。我们专注于电子能谱对$σ$和质子$β$的依赖性（即，质子热压力与磁压力之比）。我们发现，在重联区的电子谱是非热的，一般可以模拟为幂律。在$β\lesssim 3 \times 10^{-3}$处，斜率$p$与$β$无关，并且随着$σ$的增加而变硬为$p\simeq 1.8 +0.7/\sqrtσ$。电子主要由X点处的非理想电场加速，所述非理想电场在初始电流层中或在合并磁岛之间产生的电流片中。在较高的$β$值，电子幂律陡峭的所有值的$σ$。当$β$的值接近$β_{\rm max}\approx1/4σ$时，当电子和质子在重联之前都是相对热的时，这两种物质的光谱在高能量下显示出额外的成分，包含百分之几的粒子。这些粒子通过在重联流出物和静止的磁岛之间弹跳而通过类似费米的过程被加速。我们提供了一个经验处方的幂律斜率和加速效率的依赖$β$和$σ$，可用于全球模拟的无碰撞吸积盘。
2018-03-15 astro-ph.HE
Electron heating and acceleration by magnetic reconnection in hot accretion flows
分析和数值计算都表明，热吸积流中必然会发生磁重联。这个过程将有效地加热和加速电子。本文采用磁重联和测试电子的混合数值模拟方法研究了热吸积流中由于磁重联引起的电子加速和加热。我们考虑吸积流的密度、温度和磁参数$β_e$（定义为电子压与磁压之比）的基准值为$n_{0} \sim 10^{6} {\rm cm^{-3}}$、$T_{e}^0\sim 2\times 10^9 {\rm K}$和$β_e=1$。我们发现，电子被加热到一个更高的温度$T_{e}=5\times 10^9$ K，和一小部分$η\sim 8%$的电子被加速到打破幂律分布，$dN(γ)\propto γ^{-p}$，与$p\approx 1.5$和4低于和高于$\sim 1$兆电子伏，分别。我们还研究了不同$β$和$n_0$的影响。我们发现当$β_e$较小或$n_0$较大时，即磁场较强时，$T_e$、$η$和$p$都变大。
2009-11-24 astro-ph.HE
Angular Momentum Transport and Particle Acceleration during Magnetorotational Instability in a Kinetic Accretion Disk
采用三维粒子模拟方法研究了无碰撞吸积盘中磁旋转不稳定性（MRI）过程中的角动量输运和粒子加速。我们表明，动力学MRI不仅可以提供高能量粒子加速，但也增强角动量输运。我们发现，主动磁重联引起的含$p_{\|} > p_{\perp}$的通道流内等离子体压力各向异性抑制了后续重联的发生，从而导致高的磁场饱和和角动量输运的Maxwell应力张量的增强.同时，在重联的静止阶段，等离子体各向同性化在通道流中进行，并且由于MRI的发电机作用，通道流外部的具有$p_{\perp} > p_{\|}$的各向异性等离子体有助于快速重联和强粒子加速。在无碰撞的吸积盘中，这种有效的粒子加速和增强的角动量输运可以解释在大质量黑洞周围观测到的高能粒子的起源。
2015-02-09 astro-ph.HE
Synchrotron Gamma-Ray Emission Model of the Giant Outburst of Quasar 3C 279 in 2015 June: Fast Reconnection or Stochastic Acceleration with Electromagnetic Cascade?
我们使用随时间变化的数值模拟测试了2015年6月观测到的blazar 3C 279非常明亮的伽马射线耀斑的同步辐射场景。高达100的体洛伦兹因子可以使同步加速器的最大能量超过GeV的能量范围。我们发现两种可能的解决方案的X射线到伽马射线光谱。一种是具有硬幂律指数的瞬发电子注入模型，正如磁重联模型所建议的那样。由于次级电子-正电子对，太强的磁场会产生太亮的同步加速器X射线通量。即使在瞬发电子注入模型中，坡印廷通量光度也至多与伽马射线或电子光度相当。另一个模型是随机加速模型，它导致了一个非常独特的图片伴随着电磁级联和再加速的次级电子-正电子对。在这个模型中，与伽马射线和电子相比，磁场的能量预算非常低。
2020-01-29 astro-ph.HE
Recent Progress on Particle Acceleration and Reconnection Physics during Magnetic Reconnectionin the Magnetically-dominated Relativistic Regime
强磁化等离子体环境中的磁重联被认为是能量快速释放和粒子碰撞的主要过程。目前，人们对相对论性磁重联有着浓厚的兴趣，因为它可能为强磁化天体物理系统中的高能粒子加速和辐射提供新的解释。本文综述了磁主导区中粒子加速和重联物理的最新进展。更多的讨论集中在粒子加速，幂律形成以及重联率问题的物理。最后，对重联加速机制和动力学物理的下一步研究进行了展望。
2020-06-27 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Cosmic Ray Acceleration by Turbulence-Driven Magnetic Reconnection and the Origin of the Neutrinos in NGC 1068
Universidade de São Paulo（圣保罗大学）；Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)（巴西物理研究中心）
本研究针对NGC 1068的中微子源问题，提出湍流驱动磁重联的粒子加速机制，通过单区模型揭示极端能量粒子由一阶费米加速主导，解释了中微子发射与伽马射线缺失的矛盾，为星系中高能粒子起源提供新视角。
2025-11-18 astro-ph.HE
Astrophysical Reconnection and Particle Acceleration
天体物理重联发生在湍流介质中。在大多数情况下，湍流是预先存在的，而不是由重连本身引起的。Lazarian & Vishniac（1999）的磁重联模型预测，在湍流存在的情况下，重联变得很快，即它与电阻率无关，但取决于湍流的水平。磁重联通过从重联区域的湍流流出将能量注入到等离子体中，并且这种流出可以增强湍流水平，从而产生重联的爆发。如Gouveia dal Pino & Lazarian（2005）中所讨论的，在湍流存在下的磁重联可以通过一阶费米机制加速高能粒子。讨论了湍流重联中粒子加速的新的数值结果，并将湍流重联产生的加速与湍流介质中高能粒子的加速进行了比较。
2012-02-07 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle Acceleration and gamma-ray emission due to magnetic reconnection around the core region of radio galaxies
目前的探测器的伽玛射线发射，特别是在TeV的能量有太差的分辨率，以确定这种排放是否产生在喷流或核心，特别是低亮度，非耀变体AGN（如射电星系）。在最近的工作中已经发现，在这些源的核心区域中的湍流快速磁重联事件所释放的功率足以再现所观察到的伽马射线光度。此外，用测试粒子进行的三维MHD模拟表明，嵌入湍流的重联点内的一阶费米过程导致非常有效的粒子加速率。我们在这里计算的光谱能量分布（SED）从无线电到伽玛射线的无线电星系的能量发射高达TeVs已被检测到（即，M87，Cen A，每A，和IC 310）。为此，我们采用了上述的加速模型，并考虑了所有相关的轻子和强子损失过程的核心区域的源。我们发现，计算的SED匹配非常好，特别是与VHE观测，因此加强了上述结论，有利于这些源的VHE排放的核心排放源。该模型还自然地解释了观察到的VHE排放的非常快的变化。
2016-10-27 astro-ph.HE
Particle Acceleration and Fractional Transport in Turbulent Reconnection
我们考虑了一个大规模的湍流重联的环境，被分割成一些随机分布的不稳定电流片（UCS），我们统计分析在这个环境中的粒子的加速度。我们解决两个重要的情况下的加速机制时，粒子与UCS相互作用：（a）电场加速，和（b）通过在收缩的岛屿反射加速。电子和离子被非常有效地加速，获得指数为$1-2$的幂律形状的能量分布，这取决于加速机制。从实验粒子模拟数据中估计了能量空间中的输运系数，并证明了经典的Fokker-Planck（FP）方程在引入输运系数后不能再现模拟结果，并进行了数值求解.失败的原因是粒子在能量空间中作Levy飞行，能量增量分布呈现幂律尾。然后，我们使用Isliker等人推导的分数阶输运方程（FTE），2017年提出的FTE模型，其参数和分数阶导数的阶数由模拟数据推断，数值求解FTE，结果表明FTE模型成功地再现了试验粒子的动能分布。我们详细讨论了分析的模拟数据和标准，允许判断适当的FTE或经典FP方程作为运输模型。
2017-09-24 astro-ph.HE
Explosive reconnection of double tearing modes in relativistic plasmas: application to the Crab flares
利用电阻性相对论磁流体动力学（RRMHD）方法研究了双撕裂模（DTM）中的磁重联。本文考虑了二维直角坐标系中线性不稳定的双流片系统。对于足够大的纵向波长的初始扰动，一个快速的重联事件触发的二次不稳定性，结构驱动的非线性演化的磁岛。后者的重联阶段和时间尺度似乎弱依赖于等离子体的电阻率和磁化参数。我们讨论了这种爆炸性重联动力学的可能作用，以解释在蟹状星云脉冲星观测到的MeV耀斑。实际上，时间尺度和临界最小波长分别对条纹风的洛伦兹因子和发射区的位置给出了限制。
2013-08-05 astro-ph.HE
The role of particle feedback on particle acceleration in magnetic reconnection
Xiangtan University（湘潭大学）
该研究通过2.5D MHD模拟揭示了粒子反馈在磁重联中增强粒子加速的作用，并探讨了引导场对能量分布的影响。
2025-12-30 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fast particle acceleration in three-dimensional relativistic reconnection
磁重联是产生高能粒子的主要机制之一。我们采用大规模三维粒子模拟方法研究了磁主导（$σ=10$）对等离子体中的重联过程。我们确定了一种新的加速机制，只在3D。对于弱引导场，3D等离子体团/通量绳沿着电流的$z$方向延伸与其横截面半径相当的长度。与2D模拟不同，在2D模拟中，粒子被埋在等离子体团中，在3D中，我们发现一小部分具有$γ\gtrsim 3σ$的粒子可以通过沿着$z$移动而逃离等离子体团，因此它们可以在上游区域经历大尺度场。这些“自由”粒子优先在$z$中沿着类Speiser轨道移动，对层的两侧进行采样，并在时间上线性加速--它们的洛伦兹因子标度为$γ\propto t$，与二维中的$γ\propto \sqrt{t}$相反。能量增益率接近$\sim eE_{\rm rec}c$，其中$E_{\rm rec}\simeq 0.1 B_0$是重联电场，$B_0$是上游磁场。自由粒子的光谱是硬的，$dN_{\rm free}/dγ\propto γ^{-1.5}$，包含$\sim 20\%$的耗散的磁能域的大小无关，并延伸到截止能量与框大小成线性比例。我们的结果表明，相对论重联在伽玛暴和活动星系核喷流可能是一个有前途的机制，产生超高能宇宙线。
2021-04-30 astro-ph.HE
Very high energy neutrino emission from the core of low luminosity AGNs triggered by magnetic reconnection acceleration
IceCube天文台探测到TeV-PeV能量范围内的天体物理学甚高能量（VHE）中微子，开启了高能天体物理学的新赛季。能量~PeV意味着中微子起源于宇宙射线（CR）可以被加速到~ 10^{17}eV的源。最近，我们已经表明，所观察到的TeV伽马射线从射电星系可能有一个强子起源在其核区域，在这种情况下，这可能会导致中微子的生产。本文证明了相对论质子在这些源的核区被磁重联加速后，可以通过光介子过程产生的带电π介子衰变产生VHE中微子。我们还计算了VHE中微子的扩散通量，并发现它可以与冰立方数据相关联。
2015-10-07 astro-ph.HE
The effect of inverse Compton losses on particle acceleration in three-dimensional relativistic reconnection
Purdue University（普渡大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（计算天体物理学中心，富尔顿研究所）
研究揭示反康普顿损失对三维相对论重联中粒子加速的影响，显示自由阶段粒子加速谱与无冷却情况相似，而被困阶段粒子谱更陡峭，表明无显著加速。
2026-01-14 astro-ph.HE
Fermi Acceleration in Plasmoids interacting with Fast Shocks of Reconnection via Fractal Reconnection
我们提出了太阳耀斑中粒子加速模型和多次等离子体团喷射。非定常重联在电流片中产生等离子体团，并将它们驱逐到快激波中，在那里等离子体团中的粒子通过磁镜效应被反射到激波阵面的上游。当等离子体团通过激波阵面时，反射距离越来越短，驱动费米加速度，直到达到质子拉莫尔半径。等离子体团的分形分布也可能在自然地解释非热辐射的幂律谱中发挥作用。
2013-01-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic island merger as a mechanism for inverse magnetic energy transfer
研究了连续磁岛合并引起的从小尺度到大尺度的磁能转移。一个可解的分析模型，并正确地捕捉到的主要数量的利益，证明了数值模拟的演变。磁重联被认为是实现逆转移的关键机制，并设置其属性：磁能衰减为$\tilde t^{-1}$，其中$\tilde t$是时间归一化的（适当定义的）重联时间尺度;和字段的相关长度增长为$\tilde t^{1/2}$。磁能谱是自相似的，并且演化为$\propto \tilde t ^{-3/2}k^{-2}$，其中$k$依赖性通过薄电流片的形成而赋予。
2019-01-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fast Shocks From Magnetic Reconnection Outflows
磁重联通常被认为在太阳、恒星和天体物理盘日冕的耀斑中驱动流和粒子加速，但在给定的重联环境中不同加速机制的相对作用还没有很好地理解。我们通过直接数值模拟表明，当满足快速重连的条件且流出流遇到障碍物时，重连流出流产生弱的快速激波。相关的压缩比导致费米加速粒子谱比通常研究的强快速冲击明显陡峭，但符合太阳耀斑的要求。虽然这不是重连环境中唯一的加速机制，但它可能是一种普遍存在的机制。
2011-09-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A Model for Nonthermal Particle Acceleration in Relativistic Magnetic Reconnection
本文提出一个半解析模型，通过结合粒子注入、加速和逃逸过程，并利用动理学模拟评估模型系数，系统研究了相对论磁重联中的非热粒子加速，准确重现了幂律光谱特征并预测了天体物理系统中的幂律指数与拐折能量。
2023-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic reconnection-driven turbulence and turbulent reconnection acceleration
该研究采用MHD-PIC方法数值模拟磁重联驱动湍流与粒子加速，揭示了自驱动湍流稳态的能量分配、重联驱动湍流的复杂性及强磁场对加速效率的提升作用，为相关天体物理研究提供新视角。
2023-06-06 astro-ph.HE hep-th physics.plasm-ph
A model of acceleration of Anomalous Cosmic Rays by Reconnection in the Heliosheath
我们讨论了宇宙射线加速模型，该模型解释了旅行者1号和2号观测到的异常宇宙射线。该模型呼吁快速磁重联，而不是冲击作为加速的驱动程序。能量的最终来源与日鞘中发生的磁场反转有关。预计磁场的逆转将发生在整个日鞘，但特别是在太阳风顶附近，在那里的流动减慢和发散相对于星际风，也在边界部门在日光层电流片。虽然重联层内的一阶费米加速理论尚处于起步阶段，但现有的预测与航天器测量的异常宇宙线谱的现有数据并不矛盾。我们认为，旅行者号的数据可以是第一件的证据，有利于加速区域内的快速磁重联，我们认为这是一个广泛传播的天体物理过程。
2009-07-17 astro-ph.EP astro-ph.HE
Turbulent reconnection acceleration
天体物理等离子体中普遍存在的湍流对磁重联和重联加速都很重要。研究了在重联驱动湍流作用下，三维快速湍流重联过程中粒子的加速。由于强磁场的镜面反射和会聚，粒子在重联驱动的流入之间来回反弹。通过连续的迎面碰撞，流入物的动能转化为加速粒子。湍流不仅调节流入速度，而且相对于局部湍流磁场引入各种流入湍流。由于粒子的能量增益和逃逸概率都依赖于来流速度，因此粒子能谱的谱指数并不具有普适性。我们发现它在从$\approx 2.5$到$4$的范围内，在强引导场处，即总入射磁场和引导场之间的小角度处，预期具有最陡的谱。在没有约束粒子所需的散射扩散的情况下，重联加速可以在大的来流速度和弱的引导场下非常有效。
2022-11-15 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Nonthermal Particle Acceleration in 3D Relativistic Magnetic Reconnection in Pair Plasma
相对论性磁重联是高能天体物理等离子体中将磁场能量转化为等离子体能量的基本过程，它是脉冲星磁层和脉冲星风星云、吸积黑洞日冕和喷流以及伽马射线暴中粒子加速到超相对论能量所必需的能量的主要解释。因此，等离子体天体物理学的一个重要目标是表征重联对非热粒子加速（NTPA）的影响。重新连接供电的NTPA已被证明在广泛的物理条件下，使用大型二维（2D）动力学模拟。然而，它的鲁棒性在现实的3D重联-特别是，是否3D相对论漂移扭结不稳定性（RDKI）破坏NTPA -尚未系统地研究，虽然开拓性的3D模拟观察NTPA在孤立的情况下。在这里，我们提出了第一个全面的研究NTPA在3D相对论重联在无碰撞的电子-正电子等离子体，表征NTPA的3D效应的强度是通过在第三个维度的长度和强度的引导磁场系统地变化。我们发现，虽然RDKI显着扰动三维重联电流片，它不抑制粒子加速，即使为零引导场;完全三维重联鲁棒性和有效地产生非热幂律粒子光谱非常相似，在2D中获得的。这一发现为重联作为各种天体物理系统中高能耀斑的关键驱动机制提供了强有力的支持。我们还表明，强引导场显着抑制NTPA，减缓重联和限制可用于等离子体重联的能量，产生更陡，更短的幂律谱。
2017-07-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle Acceleration Time due to Turbulence-Induced Magnetic Reconnection
Universidade de São Paulo, Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas（圣保罗大学天文、地球物理和大气科学研究所）；Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos（圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所）
研究通过数值模拟探讨湍流诱导磁重联中粒子加速时间的关键参数，比较Fermi和漂移两种机制的理论预测，发现Fermi机制中加速时间与粒子能量无关，而漂移机制则表现出强能量依赖性。
2026-08-19 astro-ph.HE hep-ph
Turbulence, Magnetic Reconnection in Turbulent Fluids and Energetic Particle Acceleration
湍流在天体物理学中无处不在。它从根本上改变了许多天体物理现象，特别是宇宙射线的传播和加速。本文介绍了可压缩磁流体动力学（MHD）湍流的现代认识，特别是它的Alfvén、慢和快模式的分解，讨论了亚音速和超音速湍流介质的密度结构，以及其他相关的天体物理湍流机制。所有这些信息是必不可少的理解高能粒子加速，我们在审查中进一步讨论。例如，我们展示了快模式和慢模式如何通过二阶费米加速来加速高能粒子，而密度波动在冲击前区域产生磁场，使高能宇宙射线能够实现一阶费米加速。然而，非常重要的是，一阶费米宇宙线加速也可能在磁重联的网站。在湍流的存在下，这种重联变得更快，我们提出了支持Lazarian & Vishniac（1999）模型的预测的数值证据。这个过程的效率表明，磁重联可以在短时间内释放大量的能量。由于粒子追踪数值模拟表明粒子在重联过程中可以有效地加速，我们认为磁重联过程对粒子加速可能比目前公认的要重要得多。特别是，我们讨论了加速所产生的重联作为一个可能的起源的异常宇宙射线测量的旅行者，以及起源宇宙射线过剩的方向Heliotail。
2012-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Large-scale Compression Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-$β$ Plasma
在太阳耀斑和其他天体物理系统中，与磁重联相关的粒子加速问题的一个主要挑战是动力学尺度和观测到的重联尺度之间的巨大尺度分离。正因为如此，仅仅使用动力学模拟很难得出任何明确的结论。求解高能粒子输运方程的粒子加速模型可以捕获动力学模拟中发现的主要加速物理，从而提供一种实用的方法来进行可观测的预测并直接将模型结果与观测结果进行比较。在这里，我们研究磁重联中的压缩粒子加速通过求解帕克（扩散-平流）输运方程使用速度和磁场从二维高Lundquist数磁流体力学（MHD）模拟的低$β$重联层。我们发现，可压缩重联层可以给显着的粒子加速，导致幂律粒子能量分布的形成。我们分析了加速率，发现重联层中的加速是一阶和二阶费米过程的混合。当包括一个引导场，我们发现光谱变得陡峭，幂律截止能量和最大粒子能量降低等离子体变得更难压缩。该模型产生的二维粒子分布可以用来生成辐射图，并直接与太阳耀斑观测结果进行比较。这提供了一个框架来解释粒子加速在大规模天体物理重联网站，如太阳耀斑。
2018-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonthermally Dominated Electron Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Plasma
通过完全动力学模拟，我们研究了在类似于日冕和耀斑的条件下，非相对论质子-电子等离子体中磁重联过程中的电子加速。我们表明，重联导致非热占主导地位的电子加速与幂律能量分布在非相对论性低$β$制度，但不是在高$β$制度，其中$β$是等离子体的热压力和磁压力的比率。在低$β$区，加速电子包含大部分耗散的磁能。一个引导中心电流的描述是用来揭示在体非热超导过程中的电子漂移运动的作用。我们发现，主要的加速机制是一个\textit{Fermi}型加速完成的粒子曲率漂移运动沿电场诱导的重联外流。虽然不同等离子体$β$的加速机制相似，但低$β$重联驱动Alfvénic时间尺度上的快速加速，并从热分布中发展出幂律。低$β$等离子体中磁重联引起的非热主导加速可能对太阳耀斑和其他天体物理系统中的高效电子加速具有重要意义。
2015-09-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Exploring the acceleration mechanisms for particle injection and power-law formation during trans-relativistic magnetic reconnection
在相对论和反相对论区域中的磁重联能够将粒子加速到硬幂律能谱$f \propto γ^{-p}$（接近$p=1$）。决定光谱形状的潜在加速机制是目前研究的热点。利用全动力学等离子体模拟方法，研究了质子-电子等离子体跨相对论区域中磁重联过程中粒子的加速。虽然在这个参数制度的早期工作集中在平行于当地磁场的电场对粒子注入的影响（从热能到能量下限的幂律谱），在这里，我们检查的作用，平行和垂直的电场获得更完整的理解注入过程和进一步发展的幂律谱。结果表明，平行电场对粒子注入有重要贡献，且在磁重联的初始阶段更为重要。然而，随着模拟的进行，垂直电场的加速对于粒子注入变得更加重要，并且完全主导了负责高能幂律谱的加速。特别是对于较长的重联时间和较大的系统，即在更能反映天体物理来源过程的模拟中，这一点是强有力的。
2020-07-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection and Associated Particle Acceleration in High-energy Astrophysics
本文综述了高能天体物理中磁重联的研究进展，涵盖磁流体与无碰撞重联动力学及粒子加速机制，并探讨了关键物理过程与前沿问题。
2024-04-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Guide field effects on particle acceleration in three-dimensional relativistic magnetic reconnection
National and Kapodistrian University of Athens（雅典国立卡波蒂斯坦大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（平顿研究所计算天体物理中心）；Institute of Accelerating Systems & Applications（加速系统与应用研究所）
本文通过3D和2D模拟，研究了相对论磁重联中引导场强度对粒子加速的影响，发现快速加速通道在3D中持续存在但涉及粒子比例减小，导致能谱变陡和最高洛伦兹因子降低。
2026-10-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration in self-driven turbulent reconnection
本文通过高分辨率三维MHD模拟与试验粒子方法，首次证明自驱动湍流重联可使粒子在盒子尺度内能量提升约3个数量级，并形成斜率趋于-2.5的能谱。
2023-08-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle Acceleration and Heating in a Turbulent Solar Corona
湍流、磁重联和冲击可以出现在爆炸性不稳定的等离子体中，形成一个新的电磁环境，我们在这里称之为湍流重联，并在那里自发形成电流片。我们将证明粒子的加热和加速是随机（二阶费米）和系统（一阶费米）加速充分发展的湍流内的协同作用的结果。太阳大气与湍流驱动器（对流区）磁耦合，因此太阳大气中湍流重联的出现是外部驱动的。湍流重联一旦在日冕中建立，就会驱动日冕加热和粒子加速。
2018-08-21 astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle acceleration in relativistic magnetic reconnection with strong inverse-Compton cooling in pair plasmas
粒子模拟（PIC）表明，相对论性无碰撞磁重联驱动非热粒子加速（NTPA），可能解释高能（X射线/ $γ$射线）同步加速器和/或逆康普顿（IC）辐射从各种天体物理源观察到。辐射粒子的辐射反反作用力在大多数模拟中都被忽略了，尽管在许多重联可能很重要的天体物理环境中，辐射冷却大大改变了粒子动力学。我们提出了一个辐射PIC研究检查外部IC冷却的基本动力学，NTPA和相对论重联对等离子体的辐射签名的影响。我们发现，虽然重联率和整体动力学基本不变，IC冷却显着影响NTPA：粒子光谱仍然显示出硬幂律（指数$\geq -2$）在非辐射重联，但过渡到一个陡峭的幂律延伸到冷却依赖的截止。陡峭的幂律指数随时间在大约$-$ 3和$-$ 5之间波动。时间积分的光子谱显示出相应的指数为$\approx -0.5$和$\approx -1.1$的幂律，与吸积黑洞的硬X射线谱中观察到的相似。
2018-11-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Determining the Dominant Acceleration Mechanism during Relativistic Magnetic Reconnection in Large-scale Systems
虽然越来越多的研究表明，相对论性磁重联是高能天体物理系统中粒子加速的一个巨大来源，但主要的加速机制仍然存在争议。使用完全动力学模拟和理论分析相结合，我们表明，费米型加速内的大规模动态电场占主导地位的直接加速从非理想电场内的小尺度扩散区域。这一结果具有深远的影响建模粒子加速在大规模的天体物理问题，因为它开辟了建模的可能性，而不解决微观扩散区的能量谱。
2019-06-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Reconnection-driven particle acceleration in relativistic shear flows
剪切流中的粒子散射被用来解释相对论性天体物理喷流边界的非热发射。然而，粒子注入的物理学，即，允许热粒子参与剪切驱动加速的机制仍然未知。利用粒子模拟方法，研究了相对论性磁主导的电子-正电子喷流与弱磁化的电子-离子环境等离子体之间的速度剪切所导致的Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性的发展.我们发现，在其非线性阶段，KH涡产生动力学尺度的重联层，有效地激励射流粒子，从而提供了一个第一原理机制，粒子注入到剪切驱动的加速。我们的工作支持喷流发射的脊柱鞘模型-快速的核心/脊柱被较慢的鞘包围-并且可以解释相对论喷流边界处的无线电发射电子的起源。
2020-09-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic Reconnection: an Efficient Source of Non-Thermal Particles
在磁化的天体物理外流中，场能量通过磁重联耗散为粒子能量，这常常被用来解释观测到的非热特征。利用二维和三维粒子模拟方法，研究了磁主导的正负电子等离子体中的反平行重联。我们的模拟扩展到前所未有的长时间和空间尺度，因此我们可以捕获系统的渐近状态超出初始瞬变，而没有任何人为的边界条件的限制。在后期，重联层被组织成一系列由细X线连接的大磁岛。等离子体团的不稳定性进一步将每条X线分裂成一系列较小的岛屿，由X点分隔。在X点，粒子变得非磁化，它们沿着重联电场加速。我们提供了明确的证据表明，在整个重联区域的后期粒子谱集成是一个幂律，其斜率是硬比-2的磁化强度σ>10。有效的粒子加速到非热能是二维和三维相对论重联长期演化的一般副产品。在三维中，漂移扭结模式在早期使重联层起皱，但长期演化由等离子体团不稳定性控制，这有利于有效的粒子加速，类似于二维物理。我们的发现对脉冲星风和相对论天体物理喷流中硬光子谱的产生具有重要意义。
2014-01-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle Acceleration in Magnetic Reconnection with Ad hoc Pitch-angle Scattering
磁重联过程中的粒子加速是空间、太阳和天体物理等离子体领域的一个长期课题。最近的磁重联的3D粒子模拟表明，由于3D场线混沌，粒子可以离开通量绳，允许粒子访问额外的加速站点，通过费米加速获得更多的能量，并发展出幂律能量分布。这种3D效果在传统的2D模拟中不存在，在2D模拟中，由于粒子在场线上的运动受到限制，因此它们被人为地限制在磁岛上。然而，全3D模拟对于大多数研究来说都是昂贵的。在这里，我们试图重现3D的结果，在2D模拟中引入特设的俯仰角散射的一小部分的颗粒。我们表明，散射粒子能够运输出2D岛屿，实现更有效的费米加速，导致高能粒子通量的显着增加。我们还研究了散射频率对非热粒子谱的影响。这项研究有助于实现磁重联中粒子加速的完整图像。
2022-05-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
A Flux Rope Network and Particle Acceleration in Three Dimensional Relativistic Magnetic Reconnection
利用三维粒子模拟方法研究了相对论对等离子体中的导场磁重联和粒子加速问题。撕裂不稳定性是主导模式在所有的引导场强度的电流片，而线性扭结模式是次要的，即使没有引导场。倾斜模式似乎被完全抑制。在其非线性演化过程中，重联层形成了一个相互连接和相互作用的磁通量绳网络。随着较小的磁通绳合并成较大的磁通绳，重联层朝着三维的无序状态发展，在这种状态下，产生的磁通绳段包含等离子体趋肤深度尺度上的磁性子结构。嵌入在通量绳，我们检测空间和时间上的间歇性网站的耗散反映在平行电场的峰值。磁耗散和粒子加速持续到模拟结束，具有较高磁化和较低引导场强度的模拟表现出更大和更快的能量转换和粒子加速。在我们最大的模拟结束时，粒子能谱达到一个延伸到高洛伦兹因子的尾部，这是最好的模拟与两个额外的热组件的组合。我们确认，主要的超导机制是加速的电场在X线区域。我们讨论了宏观重联网站，我们的结果的影响，我们的结果可能会被期望在系统中具有较高的磁化。
2013-02-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
