Physics of Weibel-mediated relativistic collisionless shocks
我们发展了一个全面的理论模型的相对论性无碰撞对冲击介导的电流的双折射不稳定性。我们显着的非惯性框架中，这种不稳定性是一个主要的磁性的特点，并描述在微观层面上的减速和加热的传入的背景等离子体通过其碰撞与电磁湍流的相互作用。我们的模型比较大规模的2D3V PIC模拟，并提供了一个重要的试金石等离子体系统的现象。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron energization in upstream of collisionless electron/ion shocks produced by interpenetrating plasmas
本文讨论了相对论e/i激波上游区的电子碰撞机制。通过粒子模拟，我们证明了电子与增强的电场和磁场的磁涡旋（MV）的相互作用可以获得大量的能量在相互作用过程中。MV是在相对论电子-离子激波的上游区域自产生的。
2020-06-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Weibel instability-mediated collisionless shocks in laser-irradiated dense plasmas:Prevailing role of the electrons in the turbulence generation
本文采用粒子模拟方法研究了超高强度激光脉冲驱动下稠密等离子体中无碰撞湍流激波的产生。从线性分析中，我们强调了激光加热和返回电流电子在触发强烈的韦伯不稳定性中的关键作用，从而产生能够各向同性靶离子的磁湍流。
2015-02-03 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
Time-resolved characterization of the formation of a collisionless shock
我们报告的时间和空间分辨检测的非磁化，超临界碰撞的冲击在激光驱动的实验室实验中，导致形成的非磁化，超临界碰撞的冲击阶段。与冲击相关的静电势的测量演变揭示了从电流自由双层到对称冲击结构的过渡，通过在冲击前沿的离子反射稳定。通过匹配的Particle-In-Cell模拟和理论考虑，我们认为这个过程类似于超新星遗迹中超临界无碰撞冲击的离子反射。
2013-04-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron Beam Weibel Instability in the Collisionless Shock with Low Mach Number
采用粒子模拟方法研究了静电无碰撞激波中电子束的韦伯不稳定性。当非相对论入射等离子体与冷的稀等离子体碰撞时，在界面附近形成静电激波。在此基础上，由于韦伯不稳定性的存在，形成了一个附加的面外磁场。结果表明，入射热电子的各向异性不足以触发韦伯不稳定性。在稀等离子体中，冷电子激发了韦伯不稳定性。稀等离子体中的电子在被冲击电场加速到相对论速度后，具有相当大的各向异性，可以触发韦伯不稳定性
2022-02-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of collisionless shock formation via head-on merging of two laboratory supersonic plasma jets
我们描述了数值模拟，使用粒子在细胞（PIC）和混合PIC代码Lsp [T。P. Hughes等人，物理修订版ST加速Beams 2，110401（1999）]，两个实验室超音速等离子体射流的迎面合并。这些实验的目的是在实验室中形成和研究与天体物理学有关的无碰撞冲击。使用等离子体射流的初始条件（密度约为10^14-10^16 cm^（-3），温度约为几eV，传播速度约为20-100 km/s），射流传播的大规模模拟表明，在合并区域，两股射流之间的相互作用基本上是无碰撞的。在高分辨率的一维和二维模拟中，我们表明，无碰撞冲击所产生的合并射流时，沉浸在施加的磁场（B ~ 0.1-1千克）。在预期的等离子体射流速度高达100 km/s时，我们的模拟不会产生非磁化的无碰撞冲击，这需要更高的速度。磁场的方向以及射流的轴向和横向密度梯度对相互作用的性质具有强烈的影响。我们比较我们的一些模拟结果与以前发表的PIC模拟研究的无碰撞冲击波的形成。
2013-05-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Collisionless Weibel shocks: full formation mechanism and timing
等离子体中的无碰撞激波在空间物理学（地球弓形激波）和天体物理学（超新星遗迹、相对论喷流、伽马射线暴、高能宇宙射线）中发挥着重要作用。虽然通过大幅值声波的陡化形成流体冲击已经被理解了很长时间，但是目前还没有详细的描述负责形成无碰撞冲击的机制的图片。我们解开的物理机制在工作中，并表明，电磁韦伯冲击总是形成时，两个相对论碰撞，最初未磁化，等离子体壳遇到。预测的冲击波形成时间与逆流对等离子体的2D和3D粒子模拟吻合得很好。通过预测激波形成时间，可以将旨在产生这种激波的实验装置优化到有利的条件。
2014-06-16 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Collisionless electrostatic shock formation and ion acceleration in intense laser interactions with near critical density plasmas
本文研究了近临界密度等离子体中激光驱动的无碰撞静电激波的形成及随后的离子加速。粒子模拟结果表明，由于激光在近临界密度等离子体中的快速传播，激光驱动的无碰撞静电冲击的速度和冲击加速的离子的能量都可以大大提高。然而，在近临界密度的等离子体中，冲击波形成之前需要比数十个激光波周期更长的响应时间，与高过密度靶中的快速冲击波形成相反。更重要的是，我们发现，即使在激波上的静电势跃变小于离子在激波系中的动能时，某些离子也可以被无碰撞激波反射，这似乎与传统的离子反射条件相反。这些异常离子反射归因于强时间振荡电场伴随着激光驱动的无碰撞冲击在近临界密度等离子体。
2016-11-21 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Bridging the Gap between Collisional and Collisionless Plasma Shocks: A Simulation Study using OSIRIS
本研究使用OSIRIS带Coulomb碰撞模块的粒子模拟，通过改变碰撞率参数，弥合了碰撞型与无碰撞等离子体激波，发现激波宽度在离子等离子体参数 $N_D \approx 1$ 时平滑过渡，并重现了渐近预测。
2025-08-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
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
Cross-scale coupling at a perpendicular collisionless shock
对一个具有较低Alfven马赫数（M_A=5）的垂直无碰撞激波进行了全粒子模拟研究。在本研究中，我们进行了二维（2D）电磁全粒子模拟与“休克休息框架模型”。模拟域被取为大于离子惯性长度，以便包括电子和离子的全部动力学。模拟结果证实了激波结构由周期性的自重整向准稳态激波阵面的转变。在过渡期间，电子和离子在平行于冲击磁场的方向上被热化。离子被激波根部强离子温度各向异性激发的低频电磁波（或波纹结构）热化，而电子被激波过冲处电子温度各向异性激发的高频电磁波（或哨声模式波）热化。在电子平行温度变得高于离子平行温度的冲击过冲处也激发离子声波。我们预计，离子声波是负责电子和离子的平行扩散，和一个离子尺度的介观不稳定性和电子尺度的微观不稳定性之间的跨尺度耦合是很重要的结构和动力学的无碰撞垂直冲击。
2011-04-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron-Ion Temperature Equilibration in Collisionless Shocks: the Supernova Remnant-Solar Wind Connection
无碰撞激波是指激波前和激波后状态之间的过渡发生在比碰撞平均自由程短得多的长度尺度上的激波。在没有碰撞来实现激波后的热平衡的情况下，电子和离子不需要具有相同的温度。虽然电子的加速注入到冲击加速过程中产生宇宙射线已受到相当大的关注，相关的问题的冲击加热的准热电子一直相对被忽视。在本文中，我们回顾了我们的知识状态的电子加热的天体物理冲击，主要与超新星遗迹（SNRs），在太阳风的冲击与地面和土星的弓形冲击，和星系团冲击。太阳风和信噪比样本表明，电子温度与离子温度的比值随激波速度或阿尔芬马赫数的增加而减小。我们讨论了在何种程度上可以理解这种行为通过宇宙射线产生的波在冲击前兆，然后通过加热电子阻尼。最后，我们推测，一个类似的机制可能是在工作的太阳风和SNR冲击。
2013-05-28 astro-ph.GA astro-ph.HE
Electron heating in high Mach number collisionless shocks
本文提出高马赫数无碰撞激波中电子加热的新理论模型，揭示电子-离子惯性差异导致的差异性散射及双极电场与扩散输运的自洽作用，解释了Weibel磁场中的高效加热机制。
2024-05-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of relativistic collisionless shocks: III The suprathermal particles
在这一系列的第三篇论文中，我们讨论了非磁化的相对论无碰撞对激波的前体中加速粒子的总体物理。特别地，我们提供了它们在自生电磁湍流中的散射长度$l_{scatt}(p)$的理论估计，以及它们的分布函数的估计。我们得到了$l_{scatt}(p) \simeq (γ_p /ε_B)(p/γ_{\infty} mc)^2 (c/ω_p)$，其中p为激波阵面静止坐标系中的粒子动量，$ε_B$为微湍流的强度参数，$γ_p$为背景等离子体相对于激波阵面的洛伦兹因子，$γ_{\infty}$为背景等离子体在前兆外的渐近值。我们比较这种散射长度的大规模PIC模拟，并找到良好的协议的各种依赖关系。
2019-07-25 astro-ph.HE 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
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
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
Relativistic Collisionless Shocks in Inhomogeneous Magnetized Plasmas
全动力学模拟显示，上游动力学尺度密度扰动可使磁化相对论无碰撞激波恢复粒子加速能力，并产生影响耀变体偏振的大尺度磁结构。
2023-04-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
On the Formation and Properties of Fluid Shocks and Collisionless Shock Waves in Astrophysical Plasmas
当两个等离子体碰撞时，它们的相互作用可以通过无碰撞等离子体不稳定性或每个壳层粒子之间的二元碰撞来介导。通过比较无碰撞不稳定性的最大增长率与壳层粒子之间的碰撞频率，我们确定了将无碰撞形成与碰撞形成所产生的冲击波分开的临界密度。这个临界密度也是一个密度，超过这个密度，下游的激波就没有场了，因为等离子体不稳定性没有时间发展电磁模式。进一步确定了下游碰撞时壳体的初始密度和速度条件。如果这些量满足确定的条件，则下游的碰撞性也防止冲击波加速粒子或产生强磁场。我们比较的声速与两个壳之间的碰撞的相对速度，从而确定的部分的参数空间中的强冲击的形成是可能的经典和简并等离子体。最后，我们讨论了在几个天体物理设置的观测结果。
2018-05-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Simulations of Collisionless Perpendicular Shocks in Partially Ionized Plasmas
用二维混合粒子模拟方法研究了垂直无碰撞激波在部分电离等离子体中的传播。结果表明，中性粒子从下游区泄漏到上游区，泄漏的中性粒子在上游区成为拾取离子并改变激波结构，拾取离子被优先加速，上游区和下游区的拾取离子激发等离子体不稳定性.
2013-11-24 astro-ph.HE
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
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
Efficient ion re-acceleration in laboratory-produced interpenetrating collisionless shocks
Sorbonne Université（索邦大学）；Observatoire de Paris, Université PSL（巴黎天文台，巴黎文理研究大学）；Technion（以色列理工学院）；STFC Rutherford Appleton Laboratory（英国科学与技术设施委员会鲁瑟福阿普尔顿实验室）；University of Oxford（牛津大学）；IRSN（法国辐射防护与核安全研究院）
通过激光实验和数值模拟，研究相互贯穿无碰撞激波对已加速质子的再加速机制，发现可显著提升能量并改善加速效率。
2026-06-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Modified jump conditions for parallel collisionless shocks
在磁流体动力学（MHD）的背景下，平行激波的特性不依赖于场强，因为对于这样的几何形状，场和流体是断开的。然而，在无碰撞的情况下，该领域可以维持稳定的各向异性在下游，触发偏离预期的MHD行为。在最近的工作[A。Bret和R. Narayan，J. Plasma Phys. \textbf{84}，905840604（2018）]，提出了一个理论模型，允许导出电子/正电子等离子体中非相对论性平行无碰撞激波的密度比，作为场的函数。在这里，我们得到的熵，压力和温度的跳跃源于这个模型。它被发现提供了一个3D和1D之间的过渡下游的跳跃密度，熵，平行的温度和平行的压力。
2021-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
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
Density jump as a function of magnetic field strength for parallel collisionless shocks with anisotropic upstream pressure
无碰撞激波的性质经常在磁流体动力学（MHD）模型中进行评估。然而，在无碰撞等离子体中，环境磁场可以在上游或下游维持稳定的各向异性，导致偏离MHD预测的行为。我们提出了一个模型，允许推导出下游各向异性，因此冲击密度跳跃，在上游量。为简单起见，考虑了成对等离子体中平行激波的情况。与上游假定各向同性的以前的工作相反，这里的上游各向异性$A=T_\perp/T_\parallel$是一个自由参数。强声激波区在形式上与各向同性上游情况相同。然而，对于中等音速马赫数，由于上游的各向异性，出现了各种行为。
2023-02-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.geo-ph
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
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
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
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
Mechanism of generating collisionless shock in magnetized gas plasma driven by laser-ablated target plasma
本文利用一维全粒子模拟研究了激光烧蚀靶等离子体驱动磁化气体等离子体产生无碰撞激波的机制，发现前驱波对种子激波的形成至关重要，且其起源依赖于靶等离子体注入时间。
2024-11-13 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$在天体物理环境中可以达到数十亿，这使得我们能够理解无碰撞冲击波的前沿如何比平均自由程小几个数量级，以及物理学如何在这两个极端之间连续过渡。
2021-01-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Relativistically Magnetized Collisionless Shocks in Pair Plasma: I. Solitons, Chaos, and Thermalization
本文提出相对论性磁化无碰撞激波的新理论模型，揭示其耗散源于准周期孤子结构中轨道混沌而非集体等离子体作用，并恢复Rankine-Hugoniot条件、推导熵产生率与热化过程。
2025-05-06 astro-ph.HE nlin.CD physics.plasm-ph
On the distribution function of suprathermal particles at collisionless shocks
在空间等离子体中经常观察到粒子分布偏离麦克斯韦分布。这些非麦克斯韦分布是不处于热平衡的等离子体的典型分布，可以用$κ$分布来模拟。准平行无碰撞激波的动力学模拟表明，质子分布是热、超热和非热部分的复合。通过使用粒子在细胞冲击模拟，我们表明，$κ$ -分布充分适合热和超热的部分在一起，作为一个单一的连续分布在早期质子谱。我们从非广延统计力学的广义熵直接导出了超热质子分布，并证明了热粒子和超热粒子都自然地嵌入到$κ$分布中.我们发现，指数$κ$的分布增加，从冲击的距离，在超热部分减少。非平衡等离子体分布在重整激波屏障处连续地富集有超热粒子，在远下游达到热平衡。在那里，超热部分完全消失，质子分布的形状变成麦克斯韦分布，直接出现幂律。
2021-08-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Interaction of a Relativistic Magnetized Collisionless Shock with a Dense Clump
相对论性磁化无碰撞激波与致密团块之间的相互作用被认为对磁场放大和宇宙线加速起着至关重要的作用。我们调查这个过程中的二维粒子在细胞（PIC）模拟的第一次，其中的团块的大小是远远大于下游颗粒的回旋半径。我们还进行了相对论磁流体动力学（MHD）模拟相同的条件下看到的动力学效应。我们发现粒子在PIC模拟中沿着磁场线从激波团中逃逸，因此涡量比MHD模拟中的低。此外，在PIC和MHD模拟中，由于相对论效应，受冲击的块体迅速减速。在相对论无碰撞激波中，由于逃逸和减速，激波团不能放大下游磁场。这种大规模的PIC模拟为理解无碰撞等离子体系统中的大尺度行为打开了一扇新的窗口。
2022-08-15 astro-ph.HE
On the role of magnetosonic solitons in perpendicular collisionless shock reformation
通过一维粒子模拟研究了冲击压缩研究中离子镜面反射引起的磁结构的本质。这种磁结构的传播速度，场分布和支持电流示出是一致的磁声孤子。巧合的是，这种结构及其演化是在垂直激波重组中观察到的典型足结构。为了调和这两个观察，我们提出，第一次，冲击重组可以解释为磁声孤子的形成，增长和随后的过渡到超临界冲击的结果。这一论点进一步支持了显着的协议之间发现的孤子演化周期和经典的改革结果。这一新的结果表明，孤子的独特性质可以用来阐明长期存在的问题，激波非平稳性及其对粒子加速的作用。
2017-02-28 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
Return Currents in Collisionless Shocks
本文通过粒子网格模拟研究无碰撞激波上游返回电流的中和机制，发现远上游、前兆区和激波脚区分别由静电模式、电磁流不稳定性和双流不稳定性主导，并指出激波脚区不稳定性可使电子热速度接近反射质子漂移速度，对磁场放大和电子注入加速有重要意义。
2023-12-20 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
Collisionless shocks in partly ionized plasma with cosmic rays: microphysics of non-thermal components
本文讨论了部分电离等离子体中非热成分存在下的天体物理无碰撞激波的一些观测问题和理论模型。快速强无碰撞激波的一个特殊特征是它们能够加速高能粒子，这些高能粒子可以改变激波上游流并形成激波前兆。我们讨论了高能粒子加速和相关的磁场放大和衰减的扩展冲击前兆的冲击线和连续多波长发射光谱的影响。这两个巴尔默型和辐射天体物理冲击的超新星遗迹与部分中性云的相互作用进行了讨论。在审查中描述的定量模型预测了一些可观察到的线状发射功能，可用于揭示的物理状态的物质在冲击前兆和非热过程的冲击的字符。最新进展的伽玛射线观测超新星遗迹的分子云的影响突出。
2013-04-03 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
Physics of relativistic collisionless shocks: The scattering center frame
在这一系列的第一篇论文致力于非磁化，相对论性无碰撞对冲击的微观物理，我们讨论的韦伯型横向电流偏转不稳定性（CFI）的物理发展的冲击前兆，通过一个超相对论性超热粒子束与背景等离子体的相互作用。我们特别介绍的概念“韦伯框架”，或散射中心框架，其中的微湍流主要是磁性的性质。我们计算这个框架的属性，首先使用动力学制剂的线性阶段的不稳定性，依赖于麦克斯韦-Jüttner分布函数，然后使用准静态模型的非线性阶段的不稳定性。这两种方法都表明：（i）韦伯坐标系相对于背景等离子体以亚相对论速度运动，因此相对于激波阵面以相对论速度运动;（ii）韦伯坐标系相对于背景等离子体的速度与$ξ_{\rm b}$成比例，即，的压力的超热粒子束的动量通量密度进入冲击的单位;及（iii），韦伯帧移动略低于背景等离子体相对于冲击波前。我们的理论结果被发现是在专用的大规模2D 3V PIC模拟进行的测量满意的协议。
2019-07-25 astro-ph.HE 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
Non-linear collisionless damping of Weibel turbulence in relativistic blast waves
在弱磁化无碰撞冲击波的物理学中，韦伯/双折射不稳定性起着关键的作用。从高能天体物理学的角度来看，这种不稳定性也起着至关重要的作用，因为它在激波前兆中的发展使下游充满了小尺度的静磁湍流，这种湍流形成了超热粒子的加速和辐射过程。本工作讨论了相对论性无碰撞冲击波的韦伯产生的湍流下游的耗散的物理。它明确地计算与粒子轨迹的扩散性质相关的一阶非线性项。这些修正被发现系统地增加阻尼率，假设散射长度保持大于磁波动的相干长度。这种校正的相关性进行了讨论，在更广泛的天体物理学的角度来看，特别是关于物理学的外部相对论性冲击波的伽马射线暴。
2014-10-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Long-term Evolution of Relativistic Unmagnetized Collisionless Shocks
本研究通过大时长二维粒子网格模拟，揭示相对论无磁化无碰撞正负电子激波的长期演化规律，发现磁相干尺度持续增长、磁场呈斑块分布，为伽马射线暴余辉模型提供关键参考。
2024-02-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Localized enhancements of energetic particles at oblique collisionless shocks
本文利用三维实验粒子模拟方法研究了非相对论斜快无碰撞激波加速带电粒子的空间分布。我们发现，低能量粒子的密度表现出局部增强的冲击，类似于“尖峰”测量行星际冲击。与以前的结果相比，基于数值解的集中输运方程，我们发现一个冲击尖峰的任何磁取向，从准垂直到平行。我们比较的俯仰角分布相对于当地的磁场和动量分布远下游和非常接近的冲击内的尖峰，我们的研究结果是兼容的预测从散射的无冲击漂移加速度（SDA）在这些地区的限制。旅行者1号在太阳终端激波处测量到的低能粒子的增强与我们的剖面相当。我们的模拟允许预测超热质子在行星际冲击在10个太阳半径内进行测试的太阳探测器任务。他们也有影响的解释离子加速超新星遗迹冲击。
2015-02-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
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
Parallel Collisionless Shocks in strongly Magnetized Electron-Ion Plasma. I. Temperature anisotropies
本研究利用PIC模拟探究强磁化等离子体中平行无碰撞电子-离子激波的特性，揭示了不同磁化强度下激波的压缩比、不稳定性、粒子加速及温度演化规律，明确其与标准MHD行为的偏差。
2025-09-02 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Long wavelength unstable modes in the far upstream of relativistic collisionless shocks
在超相对论极限下，计算了相对论粒子束与非磁化冷等离子体相互作用引起的长波动力学不稳定性的增长率。对于充分达到顶点的光束，所有的长波长模式被证明是韦伯不稳定的，并推导出一个简单的解析表达式，其增长率。对于大的横向速度扩散，这些模式变得稳定。给出了稳定性的解析条件。这些分析结果，概括了以前的文献中给出的，被证明是一致的色散方程的数值解和新的PIC模拟的结果，其中的电-磁场被限制到一个给定的k-模式。结果可以描述高能宇宙射线的相互作用，传播到相对论性无碰撞激波的远上游，与冷的非磁化上游。考虑的长波长模式可能是有效的偏转粒子和扩散冲击加速可能是重要的。结果表明，当相对论激波传播到电子-正电子对等离子体中时，这些模增长，而当相对论激波传播到洛伦兹因子为\lesssim 100的电子-质子等离子体中时，这些模被阻尼.如果这些模式占主导地位的偏转高能宇宙射线在电子-正电子冲击，有人认为，粒子加速被抑制在冲击帧能量大于下游热能的一个因素大于冲击洛伦兹因子。
2010-05-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
