Diffusion of energetic particles in turbulent MHD plasmas
本文研究了高能粒子在湍流等离子体中的输运。用数值方法模拟了背景等离子体对高能质子运动的影响。背景等离子体是在一个动态的湍流状态下发现从数值MHD模拟，在那里我们使用典型的日光层的参数。的运输参数（即俯仰角扩散系数和平均自由程）的影响进行了计算和偏离准线性理论进行了讨论。
2012-03-05 astro-ph.HE
Cyclotron maser emission from power-law electrons with strong pitch-angle anisotropy
具有幂律谱的高能电子是天体物理中最常见的观测对象。本文研究了幂律电子的电子回旋脉塞发射，其中强调了强俯仰角各向异性。本文提出的电子分布函数可以描述各种类型的俯仰角各向异性。结果表明，ECME的辐射特性，包括辐射的增长、传播和频率特性，在很大程度上取决于电子俯仰角各向异性的类型，不同的波模对电子俯仰角的依赖性不同.特别地，X2模式的最大增长率相对于电子分布达到峰值的电子节距角余弦$μ_0$迅速减小，而其他模式（X1，O1，O2）的增长率在减小之前随着$μ_0$的增大而初始增大。此外，O模式以及X模式可以是最快的增长模式，不仅在等离子体参数，但也类型的电子俯仰角分布。这一结果是对最近关于幂律电子低能截止驱动ECME的研究的重要扩展，其中X模式通常是最快的生长模式。
2016-03-07 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
Perpendicular Diffusion in the Transport of Solar Energetic Particles from Unconnected Sources: The Counter-streaming Particle Beams Revisited
在某些太阳高能粒子（SEP）事件中，观测到在初始阶段，在90度俯仰角附近具有通量深凹陷的逆流粒子束。社会上有两种不同的解释来解释这个有趣的现象。一种解释是，在观察者之外有一个外部反射边界或磁镜。另一种考虑了垂直扩散对SEPs在行星际空间传输过程的影响。在这项工作中，我们重新审视的SEP事件中观察到的逆流粒子束的问题，并讨论了可能的机制，负责形成这种现象。我们澄清了以前工作中的一些结果。
2015-11-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.geo-ph
Synchrotron self-Compton in a radiative-adiabatic fireball scenario: Modelling the multiwavelength observations in some Fermi/LAT bursts
本研究针对标准GRB余辉模型无法解释部分高能光子的问题，提出考虑不同电子能谱的辐射-绝热SSC解析模型，通过9个Fermi/LAT暴样本多波段观测建模约束相关物理参数。
2024-09-18 astro-ph.HE
The Relation Between Escape and Scattering Times of Energetic Particles in a Turbulent Magnetized Plasma: Application to Solar Flares
粒子从许多空间和天体物理源的加速区逃逸时间的知识是至关重要的，在分析这些粒子产生的发射信号，并在工作中的加速和运输机制的确定。本文解决了这个一般性的问题，特别是在太阳耀斑，除了散射湍流，从加速区域朝向其边界的磁场收敛也影响粒子逃逸。基于Malyshkin和Kulsrud（2001）的工作，我们测试了逃逸和散射时间之间的（近似）解析关系，以及场收敛速率，对于强扩散和弱扩散极限以及注入粒子的各向同性俯仰角分布都有效，具有粒子传输的数值模型。为此，动力学福克-普朗克传输模型的颗粒求解与随机微分方程计划假设不同的初始俯仰角分布。这种方法可以进一步深入了解运输过程的相空间动力学，否则将无法访问。我们发现，在各向同性情况下，数值结果与解析方程基本一致，而在弱扩散区，特别是沿磁场线分布时，数值结果与解析方程有很大差异。这些结果对于解释太阳耀斑和其他类似的空间和天体物理加速场高能粒子的观测结果以及确定福克-普朗克型动力学方程中常用的加速-传输系数具有重要意义。
2018-10-24 astro-ph.HE physics.space-ph
Turbulent pitch-angle scattering and diffusive transport of hard-X-ray producing electrons in flaring coronal loops
最近从{ \em RHESSI}的观测已经揭示，在耀斑环的日冕部分中的非热电子的数量可以超过解释同一耀斑环的硬X射线发射足点所需的电子数量。因此，这样的来源不能被解释的基础上的标准碰撞输运模型，其中电子流沿环，同时失去他们的能量，通过碰撞与周围的等离子体;额外的物理过程，要么陷阱或散射的高能电子，是必需的。出于这一点和其他意见，建议高能量电子被限制在冠状区域的源，我们认为湍流俯仰角散射的快电子关闭低频磁波动的限制机制，建模为平行于平均磁场的空间扩散。在一般情况下，湍流散射导致沿环路的非热电子的碰撞停止距离的减少，因此，相对于足点的冠状HXR源的增强。源尺寸$L$随电子能量$E$的变化变得比与碰撞输运相关的二次行为弱，其中$L(E)$的斜率直接取决于平均自由程$λ$再次俯仰角散射。比较模型的预测与观测，我们发现，$λ\sim$ $(10^8-10^9)$厘米为$\sim30$千电子伏，小于一个典型的耀斑环的长度和小于，或相当于，电子加速区域的大小。
2013-12-25 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
GRB Prompt Emission with Anisotropic Electron Distribution
伽马射线暴（GRB）瞬发辐射的典型光谱表明，在标准同步辐射模型中，尽管存在强磁场，电子冷却仍然受到抑制。最近的Particle-in-Cell模拟表明，磁主导等离子体中的粒子通过磁重联加速可以导致小的俯仰角，特别是在低能区。如此小的俯仰角防止电子通过同步辐射冷却。本文考虑了同步辐射冷却和绝热冷却的影响，数值计算了各向异性电子分布的同步辐射谱。如果我们需要一个大于$10^{50}~\mbox{erg}~\mbox{s}^{-1}$的坡印亭通量作为模型的磁重联的动机，$\sim 1000$的体洛伦兹因子和$γ_{\rm min}\sim 10^4$的电子最小洛伦兹因子需要再现典型的伽玛暴谱。
2022-07-06 astro-ph.HE
Quasi-linear diffusion driving the synchrotron emission in active galactic nuclei
本文研究了活动星系核磁层流中准线性扩散（QLD）在超相对论电子产生X射线辐射中的作用。我们检查了两个区域：（a）靠近黑洞的区域和（b）外磁层。对超相对论电子的同步辐射进行了研究，结果表明，QLD产生的软X射线和硬X射线分别接近于黑洞和轻柱尺度。通过考虑回旋不稳定性，我们表明，尽管短的同步加速器冷却时间尺度，回旋模式激发横向和纵向横向波。另一方面，它表明，同步加速器的反作用力和负责的绝热不变量的守恒的力往往会减少的俯仰角，而扩散，推回电子通过上述波，往往会增加的俯仰角。通过检查准稳态，我们调查的制度，这两个过程是平衡的，并创建一个非零值的俯仰角。
2010-04-01 astro-ph.GA astro-ph.HE
Simulations of Ion Acceleration at Non-relativistic Shocks. III. Particle Diffusion
我们使用大混合（动力质子流体电子）模拟研究自洽电磁配置的无碰撞冲击的高能粒子的运输。在本系列的前几篇论文中，我们证明了离子加速可能非常有效（能量高达$10-20\%$），并概述了高能粒子流如何放大上游磁场。在这里，我们测量不同强度的冲击周围的粒子扩散，发现高能离子的俯仰角散射的平均自由程与它们在自生湍流中计算的gyroradii相当。对于中等强度的冲击，磁场放大在准线性区域进行，并且粒子根据自生扩散系数扩散，即，散射率仅取决于波长与粒子回旋半径相当的模式中的能量的量。相反，对于非常强的冲击，磁场被放大到非线性水平，大部分能量处于波长与最高能量离子的回旋半径相当的模式中，高能粒子在放大的场中经历类似玻姆的扩散。我们还展示了如何增强扩散促进返回的高能粒子的冲击，从而确定的最大能量，可以通过扩散冲击加速在给定的时间内实现。参数化的扩散系数，我们得到的可以用来引入自洽的微观物理到大尺度模型的宇宙射线加速天体物理源，如超新星遗迹和星系团。
2014-10-07 astro-ph.HE
Small-scale Gradients of Charged Particles in the Heliospheric Magnetic Field
利用带电粒子在日光层磁场中传播的数值模拟，我们研究了在1 AU处看到的太阳高能粒子强度的小尺度梯度或“辍学”。我们使用两个湍流模型，脚点随机运动模型（Jokipii和Parker 1969; Giacalone等人2006）和两个组件模型（Matthaeus等人1990），以产生类似于航天器观测的波动磁场在1 AU。湍流模型包括一个Kolmogorov样的磁场功率谱包含了广泛的空间尺度，从那些导致大规模的场线随机游走到小尺度导致共振俯仰角散射的高能粒子。我们释放高能质子（20 keV - 10 MeV）从空间紧凑和瞬时源。数值积分了高能带电粒子在湍流磁场中的运动轨迹。航天器观测是通过在小窗口中收集粒子来模仿的，当它们在1 AU的距离通过窗口时。我们表明，小尺度梯度的高能粒子的强度和速度分散航天器观察到的可以使用脚点随机运动模型再现。然而，没有辍学被认为是在模拟中使用的两个组件的磁湍流模型。我们还表明，粒子散射在太阳风磁场需要很少的强度辍学形成。
2013-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
On the shape of SEP electron spectra: The role of interplanetary transport
我们解决粒子散射对太阳高能电子事件的能谱的影响，使用i）观测和ii）建模方法。我们利用SEPT仪器在45 - 425 keV范围内进行的定向电子测量，对STEREO航天器的观测进行了统计研究。我们比较了反向向日传播光束的能谱和后向散射粒子数的能谱，发现平均而言，后向散射粒子数的能谱更硬，能量越高，其影响越强。ii）我们使用数值SEP传输模型来模拟粒子散射（在俯仰角和垂直于平均场方面）对光谱的影响。我们发现，俯仰角散射可以导致光谱的变化，在更高的能量（E $>100$ keV）和更远离太阳（r $> 1$ au），也经常观察到。在较低的能量，更接近太阳的俯仰角散射的影响大大减少，使模拟的能谱仍然类似于注入的幂律函数。当检查俯仰角相关的光谱，我们发现，在协议的观测结果，向后传播的电子的光谱比向前（从太阳）传播的人口更难。{We结论是，{ \it太阳轨道器}和{ \it帕克太阳探测器}将能够在更高的能量下观测到靠近太阳的未调制的全向SEP电子光谱，从而直接指示加速光谱。}
2020-05-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Electron Surfing and Drift Accelerations in a Weibel-dominated High-Mach-number Shock
本文用三维从头算粒子模拟方法研究了电子在高马赫数准垂直激波中如何被加速到相对论能量。我们发现，相干静电布曼波和离子韦伯磁湍流共存于一个强冲击结构，使粒子获得能量在冲击冲浪和随后的随机漂移加速。最初经历冲浪加速度的高能电子通过与磁湍流相互作用进行俯仰角扩散，并在激波过渡区的限制期间连续加速。离子-韦伯湍流是电子有效非热加速的关键。
2017-09-12 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Trajectories and Radiation of Charged Particles in the Pulsar Magnetosphere
用Deutsch解的电磁场近似，研究了脉冲星磁层中加速电子的运动轨迹和辐射。由于电子在中子星表面附近被迅速加速到超相对论速度，电子的速度矢量（进而其轨迹）由洛伦兹力和辐射反作用力的平衡得到，这使得在磁层的大部分区域，电子轨迹与磁场线之间的俯仰角不为零。在这种情况下，计算了单能加速电子的同步曲率辐射谱能量分布。我们的研究结果表明：（i）俯仰角是电子位置的函数（$r, θ, ϕ$），并且随着$r$和$θ$的增加以及倾角的增加而增加;（ii）曲率半径沿粒子轨迹变大，以及（iii）SED呈现出取决于发射位置的双峰结构，其中同步辐射主要作用于X射线波段，曲率辐射主要作用于GeV波段，这仅由参数$α$和$ζ$决定
2022-04-05 astro-ph.HE hep-ph
The effect of collisional cooling of energetic electrons on radio emission from the centrifugal magnetospheres of magnetic hot stars
CSIRO, Space and Astronomy（CSIRO空间与天文部）；Department of Physics and Astronomy, University of Delaware（特拉华大学物理与天文学系）
研究探讨了碰撞冷却对磁热恒星离心磁层中无线电发射的影响，发现高能电子的冷却机制与磁场强度密切相关，且该结果对磁超低温矮星的适用性存在差异。
2025-09-18 astro-ph.HE astro-ph.SR
Understanding variations of galactic energetic particles in the heliosphere: modelling and radiation hazard assessment
提出一种结合扩散、对流和绝热冷却的太阳调制新模型，预测内日球层宇宙射线通量，并评估宇航员在低地球轨道及星际空间中的辐射剂量率与危害。
2025-09-15 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Diffusion of PeV Cosmic Rays in the Turbulent and Multiphase Interstellar Medium
Institute for Advanced Study（高等研究院）
研究高能宇宙射线在多相星际介质中的传输机制，发现相变诱导的磁场梯度增强跨场扩散，但整体散射系数低于等温介质，导致扩散系数显著提高。
2026-04-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
