Three-dimensional plasmoid-mediated reconnection and turbulence in Hall magnetohydrodynamics
本文研究霍尔MHD中三维等离子体团介导重联，发现三维条件下单X线重联比二维更不易发生，且在特定Lundquist数和尺度比下可实现自生湍流重联，并分析了其能谱与各向异性特征。
2024-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Influence of 3D plasmoid dynamics on the transition from collisional to kinetic reconnection
在电阻磁流体动力学模型中，高伦德奎斯特数重联层对等离子体团不稳定性是不稳定的，导致湍流演化，其中重联率可以独立于底层电阻率。然而，这些结果的物理相关性在许多应用中仍然值得怀疑。首先，重联电场通常远高于失控极限，这意味着碰撞电阻率是无效的。此外，理论和模拟表明，等离子体团的形成可能会迅速引起过渡到动力学尺度，由于薄电流片的形成。在这里，这个问题是第一次研究使用第一性原理动力学模拟与福克-普朗克碰撞算子在3D中。低- $β$重连电流层迅速变薄，由于焦耳加热之前的斜等离子体团不稳定性的发病。标准（$k_y = 0$）撕裂模式的线性增长率同意半碰撞边界层理论，但倾斜（$|k_y|>0$）模式的角谱显着窄于预测。在非线性区域，由不稳定性形成的磁通绳在重联流出射流的作用下经历复杂的相互作用，导致具有随机磁场的湍流状态。以类似于以前的2D结果的方式，超德莱塞场诱导过渡到动力学重联薄电流层之间形成的磁通绳。这些结果可能在新的实验室实验中得到检验。
2019-06-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A novel kinetic mechanism for the onset of fast magnetic reconnection and plasmoid instabilities in collisionless plasmas
当相反的磁场通过电流片合并和湮灭时，磁重联可以爆炸性地释放磁能，驱动等离子体射流并将非热粒子群加速到高能量，在从空间和天体物理到实验室尺度的等离子体中。通过实验室实验和航天器观测，在证明在狭窄的动力学尺度电流片中如何快速耗散和重联方面取得了重大的实验进展。然而，一个挑战是要证明是什么触发了重新连接，以及它如何作为一个比这些动力学尺度大得多的全球系统的一部分快速有效地进行。在这里，我们显示实验的全面发展的过程中，电流片的形式，然后在离子动力学尺度分解成多个载流结构。结果是一致的撕裂的电流片，但修改碰撞动力学离子效应，这导致更大的增长率和数量的等离子体团比以前的实验中观察到的或相比，从标准的撕裂不稳定性理论和以前的非线性动力学重联模拟的预测。这一效应将增加等离子体团不稳定性在许多自然重联系统中的作用，在触发大范围自然等离子体的快速重联时应加以考虑，这些自然等离子体具有无碰撞、可压缩的流动，包括在地球磁鞘和磁尾以及在日球顶、在吸积盘以及在湍流高马赫数无碰撞激波中。
2021-12-06 physics.plasm-ph
Plasmoid formation via competing lower-hybrid drift and Kelvin-Helmholtz instabilities: A hybrid kinetic-gyrokinetic simulation study
Max-Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）
研究通过混合动能-gyrokinetic模拟揭示了低混漂移不稳定性与Kelvin-Helmholtz不稳定性在等离子体体形成中的竞争作用，表明低混漂移不稳定性可作为种子和调节器，影响等离子体体生成不稳定性。
2026-01-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic reconnection and stochastic plasmoid chains in high-Lundquist-number plasmas
对大伦德奎斯特数（$S$）下的磁重联进行了数值研究，研究了等离子体团占主导地位的$S$到$10^7$的磁重联. Uzdensky的理论模型{ \it et al.} [Phys. Rev. Lett. { \bf 105}，235002（2010）]进行了确认和部分修订。对于$S\gg10^4$，归一化重连率为独立于$S$的$\normEeff\sim 0.02$。等离子体团通量（$Ψ$）和半宽（$w_x$）分布函数按$f(Ψ)\sim Ψ^{-2}$和$f(w_x)\sim w_x^{-2}$缩放。$Ψ$和$w_x$的联合分布表明，等离子体团填充三角形区域$w_x\gtrsimΨ/B_0$，其中$B_0$是重连场。有人认为，这种功能是由于等离子体团合并。宏观的“怪物”等离子体团与系统的大小$w_x\sim 10$ %显示出现在几个阿尔文时间，独立于$S$，这表明大的破坏性事件是一个不可避免的功能大- $S$重联。
2011-08-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Formation of plasmoid chains and fast magnetic reconnection during nonlinear evolution of the tilt instability
通过二维不可压缩磁流体动力学（MHD）数值模拟，研究了当Lundquist数$S$超过一个临界值（磁普朗特数，$P_m = 1$）时，等离子体团链形成所支持的快速碰撞磁重联机制.最近开发的特征Galerkin有限元代码，FINMHD，这是专门为此目的而设计的，在一个减少粘阻MHD框架，采用。与以前的研究相反，选择了不同的初始设置的两个排斥电流通道，以形成两个准奇异电流层上的Alfvénic时间尺度的倾斜不稳定性的结果。如果是$S < 5 \times 10^3$，则随后的稳态重连过程是通过经典Sweet-Parker模型预测的速率标度为$S^{-1/2}$获得的。否则，发生随机的时间依赖性重连状态，具有独立于$S$的快速时间平均速率，并且具有$0.014$的归一化值。后一种机制是由两条等离子体团链的形成触发的，这些等离子体团链破坏了电流片，并在静止阶段之后突然发生超阿尔夫文生长，这与Comisso等人提出的等离子体团不稳定性的一般理论一致[Phys. Plasmas 23，100702（2016）]。此外，非单调依赖的等离子体团增长率与$S$以下的渐近递减对数律在无限$S$ -极限被证实。我们还密切比较我们的结果，以评估机制的一般性，在发展过程中获得的合并不稳定设置。最后，我们简要地讨论了我们的结果的相关性，解释耀斑活动在太阳日冕和托卡马克的内部中断。
2020-02-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast magnetic reconnection in the plasmoid-dominated regime
提出了一个通过随机等离子体团链的电阻性磁重联的概念模型。全球重连率被证明是独立的Lundquist数。等离子体团中的通量分布符合平方反比定律。有人认为，有一个有限的概率出现异常大的等离子体团，这可能会破坏链（并可能负责可观察到的大突发事件，在太阳耀斑和太阳耀斑崩溃）。给出了从磁流体力学过渡到无碰撞状态的判据。
2010-08-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On super-elastic collisions between large-scale magnetized plasmoids in the heliosphere
最近，在日光层中观测到由日冕物质抛射产生的两个大尺度磁化等离子体团之间的独特碰撞（C。Shen等人，Nature 8，2012）。结果表明，碰撞是超弹性的，即碰撞后两个等离子体团的总线动能比碰撞前大，并且存在反相关，即等离子体团的初始相对速度越低，总动能的相对增加越大.根据W. H. Bostick，IEEE Trans. Plasma Science PS-14 703-717（1986），这里我们从第一性原理出发，检索D. Kagan等人，Mon.没有R. 406 1140-1145（2010）和S. Ohsaki等人，AP. J. Lett. 559 L 61（2001）的结果表明，反相关只是霍尔磁流体力学的结果。
2018-01-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the growth rate of plasmoid chains during nonlinear viscoresistive evolution of the tilt instability
通过二维不可压缩磁流体动力学（MHD）数值模拟，研究了当Lundquist数S超过临界值时，由等离子体团链的形成所支持的快速碰撞磁重联机制的起始阶段。本研究扩展了以前的结果，在磁性普朗特数Pm = 1（巴蒂2020年）的范围内不同的Pm值。我们使用FINMHD代码，其中一组减少的粘阻MHD方程被用来形成两个准奇异电流层作为倾斜不稳定性的结果。结果加强的结论，即，一个阶段的突然超Alfvenic增长（当Pm不是太高）的等离子体链获得，之前的静止阶段在电流片形成在一个较慢的Alfvenic时间尺度。我们比较我们的结果与预测的等离子体团不稳定性的一般理论。我们还讨论了这一发病阶段的重要性，以达到随后的随机时间依赖性的重联制度，在那里获得一个快速的时间平均速率独立的S。最后，我们简要地讨论了我们的结果的相关性，解释耀斑活动在太阳日冕和托卡马克的内部中断。
2020-07-20 astro-ph.SR hep-th physics.plasm-ph
Evolution of 3-dimensional Relativistic Current Sheets and Development of Self-Generated Turbulence
本文首次研究了坡印廷主导等离子体中三维相对论性电流片的时间演化。在过去的几十年里，人们对二维空间中电流片的演化进行了大量的研究，并得出结论：足够长的电流片总是演化成所谓的“等离子体团链”，它提供了与其电阻率无关的快速重联速率。然而，人们怀疑等离子体团链只能在二维近似的情况下存在，并且在三维空间中会表现出向湍流的转变。采用电阻性相对论磁流体力学近似对相对论电流片进行了三维数值模拟。结果表明，三维电流片演化为湍流，而不是等离子体团链。由此产生的重连率是$0.004$，它比类质体链的重连率小得多。从磁场到湍流动能的能量转换仅为0.01%，比典型的非相对论情况小得多。利用能量原理，我们还表明，等离子体团总是不稳定的位移在相反的方向上，其加速度，可能是ESTA型不稳定性，这总是导致种子的湍流背后的等离子体团。最后，讨论了温度沿片的分布，发现片的活性比等离子体团链的活性小。我们的发现可以应用于许多高能天体物理现象，并可以提供一个基本的模型，一般电流片在坡印廷占主导地位的等离子体。
2018-02-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
FINMHD: an adaptive finite element code for magnetic reconnection and plasmoid chains formation in Magnetohydrodynamics
解决快速爆发事件的问题，在磁性占主导地位的天体物理等离子体需要使用特别适合的数值工具。事实上，基于磁重联的中心机制是由一个复杂的行为与准奇异形成的电流层丰富的相关的小尺度磁岛称为等离子体团。本文提出了一种求解二维耗散磁流体动力学方程的新程序。一个不可压缩的模型的电流涡度制定代表选择，以遵循的电流片的形成和随后的磁重联过程。在非结构网格上采用二次基函数三角形有限元离散，并通过高度自适应的特征- Galerkin格式实现。简化的测试方程，并最终为磁重联相关的两个排斥电流通道之间的倾斜不稳定性的非线性发展的代码的适应性说明。改变伦德奎斯特数S，可以研究稳态Sweet-Parker重联状态（S < 10^4）和等离子体团主导重联状态（S > 10^5）之间的转变。解释在天体物理环境中，如在太阳日冕中的自由磁能的快速转换的机制的理解的影响进行了简要的讨论。
2019-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic reconnection: from the Sweet-Parker model to stochastic plasmoid chains
（节略）磁重联是等离子体中磁场的拓扑重构，伴随着能量的剧烈释放和粒子加速。重连现象就像等离子体一样普遍存在，太阳耀斑可能是最常见的例子。在过去的几年里，对大尺度流体系统中磁重联的理论理解经历了一个重大的范式转变。由著名的Sweet-Parker（SP）理论描述的重联稳态模型，该理论在该领域占主导地位约50年，已被重联层的基本上随时间变化的突发图像所取代，该重联层由多个次级岛（等离子体团）的连续形成和喷射所主导。虽然在SP模型中，重连被预测为缓慢的，但这种新范式的主要含义是流体系统中的重连是快速的（即，与Lundquist数无关），前提是系统足够大。这种概念上的转变取决于这样一种认识，即类SP电流层对于等离子体团不稳定性是非常不稳定的--因此，这意味着这样的电流片是超临界不稳定的，因此从一开始就永远不会形成。这表明电流片的形成和随后的重连过程不能像通常假设的那样解耦。本文提供了一个介绍性的概述，导致这个基本上新的框架在重联理论和模拟的最新发展。我们简要讨论了等离子体团不稳定性在选定的应用中所发挥的作用，并描述了一些突出的挑战，仍然在这个问题的前沿。其中包括等离子体团不稳定性的分析和数值扩展到（i）3D和（ii）非MHD制度。在这两种情况下都报告了新的结果。
2015-07-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Onset of Fast Reconnection in Hall Magnetohydrodynamics Mediated by the Plasmoid Instability
超Alfvénic等离子体团不稳定性的快速重联的发病中的作用进行了研究，通过最大的霍尔磁流体动力学模拟到目前为止，与系统的大小高达$10^{4}$离子集肤深度（$d_{i}$）。它表明，等离子体团不稳定性可以促进发病的快速霍尔重联，在一个制度，否则发病将无法访问，因为Sweet-Parker宽度是显着高于$d_{i}$。然而，霍尔重联的拓扑结构不一定是一个稳定的X点。存在一个中间区域，其中单个X点拓扑本身表现出不稳定性，导致系统在单个X点几何形状和由等离子体团不稳定性产生的具有多个X点的扩展电流片之间交替。通过一系列的模拟与各种系统的大小相对于$d_{i}$，它表明，系统的大小影响的可达性的中间政权。系统规模越大，越容易实现中间状态。虽然我们的霍尔MHD模型缺乏许多重要的物理效应，包括在完全动力学模型，一个单一的X点几何形状是不可避免的事实，提出了有趣的可能性，霍尔MHD模拟可能有潜力实现重联的几何特征类似于在完全动力学模拟，即扩展的电流片和等离子体团形成。
2011-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Thermally enhanced tearing in solar current sheets: explosive reconnection with plasmoid-trapped condensations
在耀斑相关的电流片，撕裂不稳定性可能会触发爆炸性重联和等离子体团的形成。我们探讨了如何通过爆炸性重联过程，其特征在于形成的等离子体团的相互作用和陷阱冷凝等离子体的热和撕裂模式相互加强在太阳日冕中的电流片的碎片。我们使用电阻磁流体动力学（MHD）模拟的二维电流层，将光学薄辐射能量损失和背景加热的非绝热效应，使用\texttt{MPI-AMRVAC}。我们的参数调查探讨了不同的折射率和等离子体- $β$量化的不稳定性增长率的线性和非线性制度。我们注意到，对于$10^{-4} - 5 \times 10^{-3}$内的无量纲电阻率值，我们得到了热不稳定性和撕裂行为相互加强的爆炸行为。这显然低于纯电阻爆炸等离子体团形成的通常临界伦德奎斯特数范围。非线性增长率遵循弱幂律依赖与电阻率。在演化的非线性阶段，由于热不稳定性和撕裂不稳定性，电流片的碎裂和等离子体团的形成。在Lundquist数（$S_L$）范围$4.6 \times 10^3 - 2.34 \times 10^5$内注意到等离子体团的形成。我们量化的时间变化的等离子体团的数量和密度填充因子的等离子体团为不同的物理条件。我们还发现最大等离子体团数的尺度为$S_L^{0.223}$。在非线性聚合的等离子体团链中，局部的冷凝结聚集，实现了类似于日冕雨或日冕对流的密度和温度对比。
2022-08-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effective resistivity in relativistic collisionless plasmoid-mediated reconnection
本文通过PIC模拟研究相对论无碰撞等离子体团介导重联，发现非理想电场由非回旋热压力梯度驱动，并提出局域有效电阻率模型，为重联高能辐射的全局建模提供物理基础。
2025-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dynamic alignment and plasmoid formation in relativistic magnetohydrodynamic turbulence
我们提出了高分辨率的二维和三维模拟磁化衰减湍流的相对论电阻磁流体力学。模拟结果表明，动态形成的大规模间歇性长寿命的电流片被破坏的撕裂不稳定性成等离子体链。这些电流片是增强的磁场耗散和等离子体加热的位置。我们发现磁场能量谱$\propto k^{-3/2}$，连同强烈明显的动态排列的Elsasser场和速度和磁场，强导场湍流，而我们检索谱$\propto k^{-5/3}$的情况下，弱导场。
2021-11-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Impact of Temperature-dependent resistivity and thermal conduction on plasmoid Instabilities in current sheets in the solar corona
在本文中，我们调查，通过二维磁流体动力学模拟，随温度变化的电阻率和热传导的发展等离子体团不稳定性的影响，在重新连接电流片在太阳日冕。我们发现，在电流片区域的等离子体温度随时间的增加，它变得大于在流入区。随着次级磁岛的出现，最高温度并不总是出现在重联$X$点，而是出现在次级磁岛内部。各向异性热传导的效应之一是降低重新连接的$X-$点的温度，并将热量传递到$O-$点，即等离子体团，在那里它被捕获。在与温度相关的磁扩散率，$η\sim T^{-3/2}$的情况下，在$X-$点的等离子体温度的降低导致：（i）增加的磁扩散率，直到磁扩散的特征时间变得可比的热传导;（ii）增加的重联率;和，（iii）更有效地将磁能转化为体运动的热能和动能。这些结果进一步解释了在耀斑和日冕物质抛射期间看到的磁能迅速释放为热能和动能的现象。在这项工作中，我们表明，考虑各向异性的热传导和斯皮策型，温度依赖的磁扩散率，在真正的太阳日冕，是至关重要的解释发生快速重联在太阳爆发。
2013-08-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic Simulations of Radiative Magnetic Reconnection in the Coronae of Accreting Black Holes
我们进行了二维和三维的粒子在细胞中的磁主导对等离子体的重联模拟受到强康普顿冷却。在这样的条件下，重连发生在黑洞周围的吸积盘日冕中，通过康普顿化产生硬X射线。我们的模拟结果表明，在重联层中的大部分等离子体是保持冷的康普顿损失和锁定在磁为主的等离子体团与小的热压力。康普顿阻力清除了等离子体团内部的空洞，并影响了它们的整体运动。然而，这些影响，弱的变化的重联率和等离子体团的大小分布从那些在非辐射重联。这表明，在这两种情况下，重联动力学是由类似的磁应力和微弱的热压力的影响。我们研究了辐射重联激发的粒子的能量分布，并观察到两个组成部分。(1)一个温和的相对论峰，这是由冷却等离子体团的整体运动的结果。该组件接收大部分耗散的重连功率，并主导输出X射线发射。峰具有准麦克斯韦形状，有效温度为100 keV。因此，它模仿热康普顿先前用于拟合硬态光谱的吸积黑洞。(2)高能量尾部，接收20%的耗散重连功率。它由在X点处被脉冲加速的粒子或被X点的快速流出“拾取”的粒子填充。高能粒子立即冷却，它们的逆康普顿发射解释了在天鹅座X-1的硬态中检测到的MeV光谱尾部。我们的第一原理模拟支持重联作为一种机制，从吸积黑洞的硬X射线发射。
2020-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulent Magnetohydrodynamic Reconnection Mediated by the Plasmoid Instability
已经确定，在高伦德奎斯特数重联的Sweet-Parker电流层是不稳定的超Alfvénic等离子体团不稳定性。过去的二维磁流体动力学模拟表明，等离子体团不稳定性导致一个新的制度，Sweet-Parker电流层的变化，成为一个链的等离子体团连接的次级电流片，和平均重联率变得几乎独立的Lundquist数。在这项工作中，三维模拟与指导领域表明，额外的自由度允许等离子体团不稳定性增长的斜角，相互作用，导致自生湍流重联。自生湍流状态下的平均重联率是特征阿尔文速度的百分之一，这与二维结果相似，但比最近外部驱动三维湍流重联研究中报道的最快重联率低一个数量级。运动能和磁能涨落都沿局部磁场方向形成细长的涡旋，这是各向异性磁流体动力学湍流的特征。这两种能量波动在惯性范围内满足幂律谱，其中磁能谱指数在从$-2.3$到$-2.1$的范围内，而动能谱指数稍微陡峭，在从$-2.5$到$-2.3$的范围内。湍流涡旋的各向异性被发现是几乎与尺度无关的，在由均匀磁场渗透的均匀等离子体中的各向异性湍流的Goldreich-Sridhar理论的预测相反。
2015-12-04 physics.plasm-ph
Formation of giant plasmoids at the pulsar wind termination shock: A possible origin of the inner-ring knots in the Crab Nebula
附近的脉冲星风星云呈现出复杂的形态特征：喷流、环面、弧和节。在全球磁流体动力学模型的范围内，这些结构被很好地捕获和理解。然而，蟹状星云内部半径的结的起源仍然难以捉摸。在这项工作中，我们调查的冲击波前和下游流动的动力学，特别强调赤道电流片的重新连接。我们研究是否在重联过程中产生的巨大的等离子体团可能是很好的候选人的结。为此，我们在球形几何中进行大型半全球三维粒子模拟。采用分层合并等离子体团模型将数值结果外推到脉冲星风星云尺度。受冲击的材料坍缩到中平面，形成并供给大规模但薄的环状电流层。这个薄片分裂成一个由等离子体团合并而成的动力学链，让人联想到三维重联。胞质团生长到肉眼可见的大小。预测的等离子体团的最终数量完全由无量纲重连率的倒数决定。巨型等离子体团的形成是脉冲星风终止激波的一个强有力的特征。它们为蟹状星云的内环结提供了一个自然的解释，前提是星云是高度磁化的。
2021-11-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic reconnection and plasmoid formation driven by the two-dimensional resistive kink instability in a current hole configuration
我们调查的非线性演化的$m = 1$电阻内部扭结模式在一个二维（2D）配置包含一个中心区域的负电流密度，也被称为“电流孔”设置。有限元程序FINMHD用于求解一组简化的不可压缩磁流体动力学（MHD）方程与电流涡公式。首先，扭结不稳定性线性发展与电阻性内部扭结模式的一般理论一致，并随后导致电流片的形成。在相对较低的伦德奎斯特数$S$，磁重联过程进行的速度预测的斯威特帕克制度。相反，当$S$超过一个临界值，即$S_c \simeq 10^4$时，电流片会被稍低于阿尔文时间尺度的等离子体团的形成所破坏。在后一种情况下，一个随机重联制度表现出Petshek型功能丰富的等离子体团达到。还测量了$0.02$阶的相对快的归一化重连率值。最后，我们比较我们的结果与那些在类似的2D以前的研究中使用理想的MHD不稳定性启动的过程，并讨论其相关的等离子体链的形成和相关的快速重联制度的一般理论。
2020-10-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Transition to Petschek Reconnection in Subrelativistic Pair Plasmas: Implications for Particle Acceleration
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL)（普林斯顿等离子体物理实验室）
研究亚相对论等离子体中重联几何转变及其对粒子加速的影响，揭示佩斯切克几何与等离子体链在能量谱上的差异。
2025-11-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Comptonization by Reconnection Plasmoids in Black Hole Coronae I: Magnetically Dominated Pair Plasma
我们进行了二维粒子模拟的重联磁占主导地位的电子-正电子等离子体受到强康普顿冷却。我们改变磁化强度$σ\gg1$，定义为磁张力与等离子体惯性的比率，以及冷却损失的强度。在这种条件下，磁重联可以在吸积黑洞周围的磁主导日冕中运行，通过种子软光子的康普顿化产生硬X射线。我们发现，粒子的能谱是由一个峰值在温和的相对论能量，这是由于冷却等离子体团的整体运动。峰值具有准麦克斯韦形状，有效温度为$\sim 100$ keV，其仅弱地依赖于流动磁化和辐射冷却的强度。重连等离子体的平均体能量大致与$σ$无关，而对于更高的磁化，方差更大。光谱还显示出高能量尾部，其接收$σ=10$的耗散重联功率的$\sim 25$ %和$σ=40$的耗散重联功率的$\sim 40$ %。我们补充我们的粒子在细胞中的研究与蒙特卡罗模拟的种子软光子通过重连层的传输，并找到逃逸的X射线光谱。模拟表明，康普顿化是由康普顿冷却等离子体团链中的体运动，并为$σ\sim 10$，产生符合吸积黑洞的典型硬态的频谱。
2021-09-14 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Plasmoid-Mediated 2D Magnetic Reconnection in Partially Ionized Plasmas
Institute for Advanced Study（高等研究院）；California Institute of Technology（加州理工学院）；University of Florida（佛罗里达大学）；Universidade de São Paulo（圣保罗大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
本研究通过高分辨率二维双流体模拟，揭示部分电离等离子体中中性-离子解耦改变等离子体团层级、提升重联率的机制，补充了高伦德奎斯特数下相关非线性行为的认知。
2026-08-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Comptonization by Reconnection Plasmoids in Black Hole Coronae II: Electron-Ion Plasma
我们进行了二维粒子模拟的磁重联在电子离子等离子体受到强康普顿冷却和计算的X射线光谱产生的这一过程。进行模拟的trans-relativistic重联与磁化$1\leq σ\leq 3$（定义为磁张力等离子体静止质量密度的比率），这是预期在黑洞周围的吸积盘的日冕。我们发现，磁耗散的进行与加热的离子和康普顿冷却的电子之间的能量交换效率低下。因此，大多数电子在辐射下保持在康普顿平衡的低温下，因此热康普顿化不能达到从吸积黑洞观察到的光子能量$\sim 100$ keV。然而，磁重联有效地产生$\sim 100$千电子伏的光子，因为温和的相对论散装运动的等离子体链中形成的重联层。由等离子体团运动的康普顿化支配辐射输出并控制辐射谱$E_{\rm pk}$的峰值。我们发现$σ=1$的$E_{\rm pk}\sim 40$ keV和$σ=3$的$E_{\rm pk}\sim100$ keV。除了在100 keV附近的X射线峰外，模拟还显示了由重连层的X点附近产生的非热电子群发射的非热MeV尾。结果与吸积黑洞的典型硬态一致。特别地，我们发现天鹅座~X-1的光谱可以用电子-离子与$σ\sim 3$的重联得到很好的解释。
2022-09-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.comp-ph
Magnetic Hair and Reconnection in Black Hole Magnetospheres
广义相对论的无毛定理指出，孤立的黑洞由三个参数表征：质量、自旋和电荷。在这封信中，我们考虑克尔黑洞赋予高度磁化等离子体充满磁层。利用广义相对论动力学等离子体和电阻性磁流体力学模拟，我们表明，一个偶极磁场的事件视界打开到一个分裂的，并重新连接在一个等离子体团不稳定的电流片。在应力-能量张量的所有分量随时间呈指数衰减的意义上，无毛定理得到满足。测量了无碰撞和碰撞等离子体中等离子体团主导重联的事件视界上磁通量的衰减时间。当磁场很强时，重连的磁层应该是一个强有力的硬X射线发射源。
2021-09-29 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Comptonization by Reconnection Plasmoids in Black Hole Coronae III: Dependence on the Guide Field in Pair Plasma
本文通过二维粒子模拟研究黑洞冕中磁重联等离子体团整体运动对引导场强度的依赖，发现强引导场使等离子体团运动更慢且更有序，弱化了对磁化参数的依赖。
2023-10-06 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Physical Conditions in the Reconnection Layer in Pulsar Magnetospheres
旋转脉冲星的磁层自然会在光柱（LC）之外形成电流片。在这个电流片中的磁重联不可避免地在几个LC半径内耗散了脉冲星自旋下降功率的非平凡部分。我们开发了一个基本的物理图片重联在这种环境中，并讨论其影响所观察到的脉冲γ射线发射。我们认为，重联收益在等离子体团占主导地位的制度，通过多个二级岛/通量绳的层次链。等离子体团间重连层受到强烈的同步加速器冷却，导致显著的等离子体压缩。使用这些电流层的压力平衡的条件下，由磁能量耗散和同步辐射冷却，安培定律之间的平衡加热，我们得到简单的估计层的关键参数-温度，密度和层厚度。在赤道电流片外的相对论脉冲星风的同动坐标系中，这些基本参数由上游重联磁场的强度唯一确定。对于蟹状星云脉冲星的情况，我们发现它们分别是10 GeV，$10^{13} cm^{-3}$和10 cm的量级。在考虑了脉冲星风引起的体多普勒增强后，来自重连电流片的同步辐射和逆康普顿辐射可以分别解释观测到的脉冲高能（GeV）和VHE（~100 GeV）辐射。此外，我们认为，快速的相对运动的次级等离子体团的等级链可能有助于产生脉冲星射电辐射。
2012-10-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Reconnection-Driven Energy Cascade in Magnetohydrodynamic Turbulence
本文通过三维磁流体动力学模拟发现，磁重联将电流片破碎为等离子体团链，从而形成由等离子体团增长率控制的新型湍流能量级联，使能谱变陡至-2.2并改变涡旋各向异性。
2022-10-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
In situ evidence of firehose instability in multiple reconnection
通过重新连接电流片的能量转换在空间和天体物理等离子体中很常见。通常，电流片在多个重连位点处中断，导致位点之间形成等离子体团结构，这可能影响能量转换。我们提出了在地球磁尾多重重联消防水管不稳定性的现场证据。观察到的质子束在平行于磁场方向加速和离子尺度的哨声型波动意味着两个活跃的重联网站之间的消防水龙带不稳定性的发展。的线性波色散关系，估计测得的等离子体参数，表明一个积极的增长率消防水管相关的电磁波动。用2.5维隐式粒子模拟程序对观测到的多重重联的时间演化进行了模拟，结果表明，随着重联点之间等离子体团的演化，等离子体团边缘的等离子体变得各向异性，克服了边缘稳定性阈值，导致产生磁场涨落.观测和模拟的综合结果表明，消防水龙带的不稳定性，操作之间的重联网站，将等离子体动能转化为磁场波动的能量，抵消了磁能转化为等离子体能量发生在重联网站。这表明多重重联中的磁能转换效率可能低于单点重联的情况。
2020-04-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic reconnection in the era of exascale computing and multiscale experiments
天体物理等离子体具有保持磁拓扑结构的能力，这不可避免地会在包括电流片在内的应力区域内引起磁能的积累。这种储存的能量通常通过磁重联的过程爆炸性地释放，这产生了磁场的重新配置，以及高速流动，热加热和非热粒子加速。无论是碰撞或动力学耗散机制，需要克服拓扑约束，这两个已经预测的理论和验证与现场航天器观测或实验室实验。然而，在理解大型系统中的磁重联方面仍然存在重大挑战，例如日冕，那里的碰撞性很弱，动力学尺度与宏观尺度相比非常小。等离子体团的不稳定性或形成多个等离子体团在长的重连电流片是一个可能的多尺度解决方案，桥接这一巨大的规模范围，新的实验室实验准备研究这些制度。结合这些努力，我们预计，未来的艾级计算时代，加上下一代的观测能力，将使一系列具有挑战性的问题，包括能量积累和重连的开始，部分电离制度，磁湍流的影响，粒子加速的新进展。
2022-02-18 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Observations of Switchback Chains in a Double Solar Proton Event
研究利用Parker Solar Probe观测一次含两次CME的太阳质子事件，检验交换重联引发磁性折返的假说，并提出相应等离子体形成模型。
2024-07-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase Diagram for Magnetic Reconnection in Heliophysical, Astrophysical and Laboratory Plasmas
用相图概括了磁重联物理学的最新进展，该相图为太阳物理学、实验室和天体物理学中的各种应用组织了基本动力学。两个关键的无量纲参数是伦德奎斯特数和宏观系统的离子声回旋半径的单位尺寸。除了传统的单X线碰撞和无碰撞阶段，多个X线重联阶段出现由于存在的等离子体团不稳定性无论是在碰撞和无碰撞电流片。特别是，存在一个独特的阶段，称为“多X线混合相”，其中碰撞岛或等离子体团的层次是由碰撞电流片终止，导致在宏观和动力学尺度之间的快速耦合和碰撞和无碰撞动力学的混合。涉及多X线和无碰撞物理的新阶段可能对磁重联的新兴应用很重要，以加速带电粒子超过其热速度。大量的太阳物理和天体物理等离子体被调查和分组在相图：地球磁层太阳等离子体（色球层、日冕、风和速跃层）、银河系等离子体（分子云、星际介质、吸积盘及其日冕、蟹状星云、Sgr A*、伽马射线暴、磁星）、河外等离子体（活动星系核盘及其日冕、星系团、射电瓣和河外喷流）。实验室实验的意义，包括下一代重联实验，也进行了讨论。
2011-09-04 astro-ph.IM physics.plasm-ph physics.space-ph
Driven Collisionless Reconnection of Force-free Flux Tubes: From Onset to Coalescence
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间气物理研究所）
研究通过二维粒子-细胞模拟，探讨了驱动无碰撞重联和等离子体束形成的过程，发现电流片厚度与皮肤深度相当，长宽比A大于30时等离子体链发展，重联率约为0.1。
2025-09-16 hep-th physics.plasm-ph
Laboratory Study of Collisionless Magnetic Reconnection
本文综述近二十年无碰撞磁重联实验室实验及其与MMS空间观测的联系，总结扩散区结构、能量分配、动力学波和等离子体团多尺度重联等成果，并展望未来研究方向。
2023-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Multi-thermal jet formation triggered by flux emergence
本研究结合观测与磁流体模拟，揭示足点磁通量浮现如何驱动磁重联、迁移日冕雨，并同时形成冷喷流与热X射线喷流。
2023-04-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Plasma Dynamics and Nonthermal Particle Acceleration in 3D Nonrelativistic Magnetic Reconnection
该研究通过大尺度全动理学模拟探究弱、强引导场下三维磁重联的等离子体动力学与非热粒子加速，揭示了不同区域的主导动力学机制与粒子注入规律，验证了费米加速理论，对太阳物理和天体物理研究有广泛意义。
2024-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electromagnetic Precursors to Binary Neutron Star Mergers: Kinetic Simulations of Magnetospheric Flaring
Princeton University（普林斯顿大学）；University of Maryland（马里兰大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
本文通过三维全球动能模拟研究双中子星并合前磁层相互作用，发现周期性喷发产生非热伽马射线和快速射电暴样信号，为未来的引力波探测提供新的电磁先兆预测。
2026-04-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Two-dimensional modeling of the tearing-mode-governed magnetic reconnection in the large-scale current sheet above the two-ribbon flare
我们尝试用二维数值模拟的方法，用Lundquist数$S=10^6$来模拟在重力分层的太阳大气中的双带耀斑期间的磁重联。我们发现撕裂模不稳定性导致了重联电流片（CS）内部的非均匀湍流，并引发了重联的快速相。快速重联带来了额外的磁场耗散，从而明显提高了重联率。在CS的能谱显示幂律图案和等离子体团的动力学支配相关的光谱指数。我们注意到，能量耗散发生在100-200 km的$l_{ko}$尺度上，对应的CS厚度在1500 - 2500 km之间，符合泰勒尺度$l_T=l_{ko} S^{1/6}$。终端激波（TS）出现在耀斑环上方的湍流区，是加热耀斑环的重要贡献者。大量的磁能通过TS转换成动能和热能，并且累积加热速率大于动能转移速率。此外，湍流在某种程度上被TS放大，其幅度与TS的局部几何形状有关。
2022-06-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Helical turbulent nonlinear dynamo at large magnetic Reynolds numbers
在旋转的天体物理系统中，包括行星、恒星和星系，大尺度磁场的激发和进一步维持通常被认为涉及由螺旋磁流体动力学湍流驱动的流体磁发电机效应。虽然这种情况是有吸引力的一般理由，但它目前仍然在很大程度上不受约束，特别是因为一个基本的了解大规模的流体磁性的非线性渐近行为的天体物理学相关的，但危险的制度，大磁雷诺数$Rm$仍然缺乏。我们探索这个问题，使用本地高分辨率模拟湍流磁流体动力学驱动的非均匀螺旋强迫产生的正弦曲线的动力学螺旋度，模仿半球形分布的动力学螺旋度在旋转的湍流流体体。我们确定了一个过渡在大$Rm$的非线性状态，其次是$Rm\simeq 3\times 10^3$，由强大的，饱和的小尺度磁流体动力学湍流和较弱的，旅行相干大尺度场振荡。这种状态的特点是一个渐进的小电阻耗散的磁螺旋度，其空间重新分布通过动力学螺旋度的半球分布驱动的湍流通量在赤道，并在大$Rm$的重联典型的等离子体团的纠缠的动态磁场的试探性存在。
2021-12-09 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Atomic energy levels population kinetics in dense plasmas - plasma ions electric microfield mixing dynamics effect (I): the general theory
本文引入了考虑等离子体离子微电场混合动力学效应的原子能级分数动力学方程组。我们提出的方程组是从全量子多原子态密度矩阵主方程推导出来的。这个原子动力学方程系统的分析推导是基于引入一个新的层次链方程，涉及一组新的统计原子变量。通过引入关系定义截断方程的层次链，得到最终的原子动力学方程组。我们表明，最终的方程组包含一个新的等离子体离子的微电场依赖于原子速率有关的过程中的混合动力学的原子能态。本文给出了该速率的解析表达式。本文讨论了X射线自由电子激光（XFEL）与固体密度物质相互作用产生的致密等离子体辐射的重要性。
2017-02-15 physics.plasm-ph
Generation of near-equipartition magnetic fields in turbulent collisionless plasmas
本文通过全动力学粒子模拟研究湍流无碰撞等离子体中Weibel不稳定性产生种子磁场并放大至近等分水平的过程，揭示了运动学阶段指数增长与饱和阶段磁重联耗散平衡机制。
2023-07-27 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Self-generated turbulence in magnetic reconnection
经典的Sweet-Parker重联模型预测重联率与电阻率成反比，通常使用无量纲的Lundquist数（$\Lund$）进行参数化。我们描述的磁流体动力学（MHD）模拟使用静态的，嵌套的网格，显示了一个三维的不稳定性的发展在一个电流片的平面之间的反转场线没有一个引导场。不稳定性导致磁场线在至少由模拟解决的范围$3.2\times 10^3 \lesssim \Lund \lesssim 3.2 \times 10^5$上以与$\Lund$无关的速率快速重连。我们发现，这种不稳定性发生的情况下，甚至与$\Lund \lesssim 10^4$，在我们的模型中出现稳定的最近描述的，二维，等离子体团不稳定。我们的研究结果表明，三维，MHD过程单独产生快速（电阻率独立）重联没有诉诸动力学效应或外部湍流。不稳定的重联层提供了一个自洽的环境中，广泛研究的湍流重联过程可以发生。
2015-05-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph
