Particle Acceleration in Magnetized Shear-Driven Turbulence
University of Michigan（密歇根大学）；University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Chicago（芝加哥大学）；University of California, Santa Barbara（加利福尼亚大学圣巴巴拉分校）
研究揭示了磁化剪切驱动湍流通过湍流电场系统性扭曲gyro-orbits实现粒子加速，产生非热尾部和pitch角各向异性，为剪切流中粒子能量化提供通用模型。
2026-09-09 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
Particle Acceleration in Relativistic Shearing Flows: Energy Spectrum
本文研究了洛伦兹因子达到$Γ_0 \sim 20$的相对论剪切流中带电粒子的加速问题。我们提出了粒子输运方程的数值解，并将其与解析计算结果进行了比较。我们发现，在高度相对论性的限制，粒子的能量谱，从加速的结果接近幂律，$N(E)\propto E^{-\tilde{q}}$，与一个普遍的值$\tilde{q}=(1+α)$的斜率，这个幂律，其中$α$参数化的粒子平均自由程的幂律动量依赖性。在温和的相对论性的流速，能量谱变得更软，敏感的底层的流动剖面。我们探讨不同的流动的例子，包括高斯和幂律型的速度分布，表明后者产生相对较硬的光谱，生产$\tilde{q}\simeq 2$的$Γ_0 \simeq 3$和柯尔莫哥洛夫湍流。我们提供了一个比较与简化的漏盒方法，并推导出一个近似关系估计的光谱指数作为最大剪切流速度的函数。这些结果与喷射的高能天体物理源（例如活动星系核）相关，因为剪切加速是将带电粒子加速到相对论能量的一种有前途的机制，并且可能有助于观察到的高能辐射。
2022-06-27 astro-ph.HE
Particle acceleration in shearing flows: the self-generation of turbulent spine-sheath structures in relativistic MHD jet simulations
对几千秒差距尺度的河外喷流的X射线观测支持同步加速器起源。发射电子的短冷却时间需要电子的分布式加速到亚PeV能量。在以前的论文中，我们发现，这可以自洽地解释的剪切加速模型，粒子加速产生幂律谱与谱指数主要由速度剖面和湍流谱。在本文中，我们进行了三维相对论磁流体动力学模拟研究的脊柱鞘结构的形成和发展的相对论性喷流传播到静态茧湍流。我们探索不同的脊柱速度和磁场配置文件的值被选择，以匹配典型的Fanaroff-Riley I/II型射流。我们发现，在所有的情况下，鞘产生的界面上的脊柱和茧主要是由于开尔文-亥姆霍兹不稳定性。鞘层中大尺度速度剖面接近线性。湍流发展的脊柱和鞘，与湍流速度谱符合柯尔莫哥洛夫缩放。剪切粒子加速的影响进行了探讨，重点是粒子的光谱指数。
2022-12-06 astro-ph.HE
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
Numerical modeling and physical interplay of stochastic turbulent acceleration for non-thermal emission processes
粒子加速是天体物理和空间等离子体中普遍存在的现象。扩散激波加速（DSA）和随机湍流加速被认为是产生高能粒子的可能机制，特别是在弱磁化区域。在天体物理源中通常观察到不同加速过程的相互作用以及各种辐射损失。DSA是一个系统性的加速过程，在冲击附近激发粒子，而随机湍流加速（STA）是一个随机的激发过程，宇宙射线粒子和电磁波动之间的相互作用导致粒子加速。这个过程通常被解释为能量空间中的有偏随机游走，通过福克-普朗克方程建模。在目前的工作中，我们描述了一种新的欧拉算法，通过将湍流加速DSA和辐射过程，如同步加速器和逆康普顿发射的存在。所开发的框架扩展了成熟的相对论磁流体动力学（RMHD）代码PLUTO中的混合欧拉-拉格朗日模块。通过我们的验证测试和案例研究，我们展示了这两种加速过程的竞争和互补性质。轴对称模拟的RMHD喷流与此扩展的混合框架清楚地表明，由于冲击的排放是本地化的，而由于湍流加速起源于回流，是更分散的，特别是在高能量的X射线波段。
2021-08-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Giant radio halos in galaxy clusters as probes of particle acceleration in turbulent regions
星系团中的巨型射电晕探索与星系团合并事件有关的粒子加速机制。星系团合并过程中，星系间介质（IGM）中会产生激波和湍流，并对星系团的非热性质产生深刻影响。相对论粒子的湍流（再）加速模型与目前的观测结果有很好的对应关系，从射电晕到伽马射线上限，尽管对这个复杂场景的几个方面仍然知之甚少。在提供了星系团中湍流加速的基本动机之后，我们讨论了由MHD湍流加速粒子的物理学和预期的来自星系团的宽带非热辐射的相关方面。我们讨论（简要）最重要的结果，湍流（再）加速模型，开放的问题，并与未来的观测测试模型的可能性。在这方面，还可以通过将其（光谱和形态）特性与其母星系团的伽马射线观测的约束结合起来，获得对邻近巨型射电晕起源的进一步约束。
2011-06-03 astro-ph.CO astro-ph.HE
Analytical estimates of proton acceleration in laser-produced turbulent plasmas
随着高功率激光器的出现，为在实验室中模拟天体物理过程开辟了新的机会。我们表明，二阶费米加速可以直接调查在国家点火设施，利弗莫尔。这需要测量由激光产生的湍流等离子体内产生的3 MeV质子的动量空间扩散。处理费米加速作为一个偏置的扩散过程中，我们分析表明，一个可测量的初始质子分布的扩大，然后预期退出等离子体的粒子。
2018-10-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stability and turbulent transport in rotating shear flows: prescription from analysis of cylindrical and plane Couette flows data
本文提供了一个处方的湍流粘度在旋转剪切流的使用，例如在地球物理和天体物理的背景下。该公式是对泰勒-库埃特流中向湍流转变和湍流输运的几项研究中获得的实验数据进行详细分析的结果。我们首先介绍了一组新的控制参数，动力学的基础上，而不是几何的考虑，使分析更自然地适用于旋转剪切流一般，而不仅仅是泰勒-库埃特流。然后，我们调查的过渡阈值在超临界和亚临界政权，以提取其一般依赖于控制参数。对平均剖面的检查为我们提供了一些关于平均与层流剪切比的一般性提示。然后检查的扭矩数据允许我们提出一个分解的扭矩依赖于控制参数的两个方面，一个完全由测量的情况下，外圆柱体是在休息，另一个是一个通用的功能，这里提供的实验拟合。由此得到了湍流粘性的一般表达式，并与文献中已有的公式进行了比较。最后，在所有的文件，我们讨论了额外的影响，如分层或磁场。
2011-06-07 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Synchrotron-limited Particle Acceleration in Relativistic Shearing Flows
该研究通过数值求解粒子输运方程并结合解析比较，考察轻度相对论性剪切喷流中受同步辐射限制的Fermi型电子加速，表明其可支持γ_e超过约10^8的分布式加速。
2025-07-24 astro-ph.GA astro-ph.HE
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
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
Particle acceleration in shearing flows: the case for large-scale jets
对千秒差距尺度喷流的X射线观测表明，持续的非热辐射很可能来自同步加速器。这需要电子沿着射流的分布式加速达到接近PeV的能量。其加速机制尚不清楚。剪切加速度是一个很有前途的候选人，因为速度剪切分层是一个射流的准直流的自然结果。我们研究的剪切加速的细节，通过求解稳态福克-普朗克型方程，并提供一个简单的通用解决方案的范围内的磁流体动力学湍流幂律谱的trans-relativistic射流。一般情况下，加速粒子数是一个幂律谱与指数状截止，其中的幂律指数是由湍流谱和逃逸和加速粒子的平衡。采用一个简单的线性下降的速度轮廓在大尺度喷流的边界，我们发现，多波长的X射线喷流，如半人马座A和3C 273的光谱能量分布，可以复制电子加速到$\sim$ PeV。在kpc尺度的喷流中，质子可能被加速到$\sim$ EeV，这支持了大尺度喷流是剪切加速框架内的超高能量宇宙射线源的强有力候选者的假设。
2021-05-18 astro-ph.GA astro-ph.HE
On the connection between turbulent motions and particle acceleration in galaxy clusters
巨射电晕是与星系团中心区域有关的百万分之一尺度的漫射射电源。最有希望的方案来解释这些来源的起源是湍流再加速，其中MeV电子注入整个形成历史的星系团加速到更高的能量的湍流运动主要是由集群合并。在这封信中，我们使用集群内介质的密度波动的幅度作为湍流速度的代理，并将这种技术应用于51个集群的样本与可用的无线电数据。我们的研究结果表明，在湍流速度的射电晕和无线电安静的集群，与湍流速度的前者平均高出约2倍的分离。用这种技术恢复的速度色散通过关系$P_{\rm radio}\proptoσ_v^{3.3\pm0.7}$与测量的无线电功率相关，这意味着无线电功率几乎与湍流能量率成正比。我们的研究结果提供了一个关键的预测湍流再加速模型的观测确认，并可能揭示无线电晕的起源。
2017-05-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Angular momentum transport in convectively unstable shear flows
采用剪切盒近似，对流体动力湍流对流引起的角动量输运进行了局部三维数值模拟。我们确定的湍流粘度从非旋转运行的剪切参数的值的范围内，并使用一个简单的分析模型，以提取非扩散的贡献（λ效应）的旋转包括在运行中的应力。我们的研究结果表明，湍流粘度的混合长度估计的顺序和弱旋转的影响。λ效应是非零的，并且比慢旋转状态中的湍流粘度小2-4倍。我们表明，开普勒剪切，角动量输运可以改变符号和向外旋转周期大于周转时间时，即当科里奥利数是低于1。这个结果似乎与瑞利数的值相对无关。
2011-07-06 astro-ph.HE astro-ph.SR
Exploring the Origin of Solar Energetic Electrons II: Investigating Turbulent Coronal Acceleration
本研究通过参数模拟，探讨日冕湍流加速对太阳高能电子原位谱指数的影响，发现加速参数可导致谱指数变化，并指出非均匀扩展源区可能是解释原位与X射线谱指数关系的关键。
2025-02-26 astro-ph.HE astro-ph.SR
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
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
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
Magnetic Energy Release, Plasma Dynamics, and Particle Acceleration during Relativistic Turbulent Magnetic Reconnection
在强磁化天体物理等离子体系统中，磁重联被认为是一个主要的过程，在此过程中发生爆炸性能量释放和粒子加速，导致显著的高能辐射。相对论性磁重联的动力学模型在过去几年中得到了积极的发展，支持了磁主导的假设。一个较少探讨的问题是3D动力学的后果，其中湍流结构是随着各种类型的不稳定性的发展而自然产生的。本文对正电子-电子等离子体中的相对论湍流磁重联（RTMR）进行了一系列三维、全动力学模拟，系统域远大于动力学尺度。我们的模拟从一个无力的电流片与几种不同的模式的长波长磁场扰动，驱动额外的湍流在重联区。因此，电流层破裂，重联区迅速演变成充满通量绳和电流片等相干结构的湍流层。我们发现RTMR中的等离子体动力学在许多方面与二维等离子体动力学有很大的不同。磁通绳在产生后迅速演化，并且由于二次扭结不稳定性而完全被破坏。这种湍流演化导致了磁场线的超扩散行为，如湍流重联的MHD研究中所见。同时，非热粒子加速和能量释放时间尺度可以非常快，并不强烈地依赖于湍流振幅。主要的加速机制是由运动电场支持的类费米加速过程，而非理想电场加速起次要作用。我们讨论了高能天体物理学中3D RTMR可能的观测意义。
2021-07-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Generation of large-scale magnetic fields by small-scale dynamo in shear flows
我们提出了一种新的机制，湍流平均场发电机中的磁场波动所造成的小规模发电机驱动的大规模磁场的产生。这与小规模磁场对大规模发电机的作用有害的普遍看法形成鲜明对比。这些发电机发生在大规模的速度剪切的存在下，并不需要净螺旋度，从非对角线组成部分的湍流电阻率张量作为磁模拟的“剪切电流”的效果。考虑到湍流等离子体中不可避免地存在非螺旋小尺度磁场，以及速度剪切的一般性质，所提出的机制可能有助于解释大尺度磁场在广泛的天体物理对象的产生。
2015-08-06 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
A Classification Scheme For Turbulent Acceleration Processes In Solar Flares
本文建立了强磁化等离子体中低频等离子体湍流随机加速模型的分类方案。这种分类考虑了加速电磁场的性质和加速区域中带电粒子的传输性质。我们分组的加速过程，无论是共振，非共振或共振加宽，这取决于粒子运动是否是自由流沿磁场，扩散或两者的组合。随机加速移动磁镜和绝热压缩作为说明性的例子。我们得到的动量相关的扩散系数$D(p)$的表达式，无论是一般形式的加速力和电磁力是波浪形的情况下，与指定的色散关系$ω=ω(k)$。最后，对于所考虑的模型，我们计算了与能量相关的加速时间，这个量可以直接与加速粒子产生的辐射场的时间分布的观测结果进行比较，例如在太阳耀斑期间。
2012-06-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Effects of Turbulent Magnetic Fields on the Transport and Acceleration of Energetic Charged Particles: Numerical Simulations with Application to Heliospheric Physics
在介绍之后，我们集中于：带电粒子的传输，离子在冲击中的加速，以及电子在冲击中的加速。第二章研究了太阳高能粒子在湍流磁场中的传播。对湍流磁场中的粒子轨迹进行了数值积分。湍流包括一个类似Kolmogorov的功率谱，包含广泛的尺度。粒子强度（辍学）和速度分散的小尺度变化可以重现。这一结果对起始点分析推断SEP信息的误差提供了一个约束。我们发现，使用双组分模型很少产生脱落（Matthaeus等人，1990年）。这一结果对湍流模型提出了质疑。第三章研究了离子的加速。我们使用3-D混合模拟来研究低能粒子在平行冲击下的加速。我们发现粒子通过在激波处的反射获得能量。质子可以在三维电场和磁场中离开场线。我们还使用了随机积分方法来研究扩散冲击加速，包括大规模的磁场变化。这一结果可以解释旅行者1号观测到的异常宇宙射线。第四章结合混合模拟和试验粒子模拟研究了电子在湍流磁场中的冲击加速。通过包括大尺度湍流来增强加速度。由于电子主要沿着场线运动，场线编织允许电子多次与冲击波相互作用。波纹还通过镜像电子而有助于加速。该过程有利于垂直冲击。通过比较电子和质子的加速度，讨论了这对SEP的影响。SEP中电子和离子的强度相关性意味着垂直冲击在加速粒子中起重要作用。
2012-11-15 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
