Cosmic-ray acceleration at collisionless astrophysical shocks using Monte-Carlo simulations
上下文扩散激波加速机制已被广泛接受为银河系宇宙射线的加速机制。虽然自洽混合模拟已经显示了如何产生幂律谱，但关于扩散粒子运动和湍流电磁场相互作用的详细信息仍然难以捉摸。目的。在实验粒子理论的框架下，通过检验所获得的宇宙线能谱，研究了扩散激波加速效应。由此产生的能量谱可以通过这种方式从粒子运动中获得，并且根据规定的湍流模型，可以研究通过等离子体波的随机加速的影响。方法.数值蒙特卡罗模拟代码扩展到包括无碰撞激波。这使得人们可以追踪测试粒子在加速时的轨迹。此外，扩散系数可以直接从粒子运动中获得，这使得可以详细了解加速过程。结果$E^{-2}$能谱的经典结果仅在平行激波时重现，而在所有其他情况下，能谱指数根据激波的对称性而减小。定性地说，这可以用平行和垂直于激波阵面方向上的扩散系数来解释。
2015-06-03 astro-ph.HE
Ion acceleration in non-relativistic astrophysical shocks
我们探索的物理冲击演化和粒子加速在非相对论性碰撞冲击使用多维混合模拟。我们分析了广泛的物理参数相关的加速宇宙射线（CR）在天体物理学的非相对论冲击的情况下，如在超新星遗迹（SNR）的冲击。我们探讨了激波结构和粒子加速效率随Alfvénic马赫数和磁场倾角$θ$的变化规律。我们发现，有高和低马赫数的冲击在预激波区和下游产生的电磁湍流方面的根本区别;占主导地位的模式是共振与流CR在低马赫数制度，而共振和非共振模式都存在高马赫数。下游等离子体中的离子的能量幂律尾部可以占进入的上游流能量的高达15%，以能量斜率为$-2\pm0.2$的幂律分布在粒子的$\sim5%$上。能量转换效率（对于CR）在$θ=15^\circ$到$30^\circ$和$M_A=6$时达到峰值，并随着马赫数的增加而降低，对于$M_A=31$则降至$\sim2%$。加速粒子是由扩散冲击加速（DSA）和冲击漂移加速（SDA）机制产生的，SDA对总能量增益的贡献随着磁倾角的增加而增加。我们还提出了一个混合动力和完全动力学粒子在细胞的结果在早期之间的直接比较，这两个模型之间的协议证明了使用混合动力模拟长期冲击演化。在SNR激波中，对于低马赫数准平行流（$M_A < 30$，$θ< 45$），粒子加速将是显著的。这一发现强调了在SNR冲击中需要有效的磁放大机制。
2011-07-05 astro-ph.HE
Combining PIC and MHD to model particle acceleration in astrophysical shocks
针对天体物理激波中非热离子加速难以同时兼顾宏观与微观物理模拟的问题，提出结合PIC-MHD的方法，在降低计算成本的同时追踪单粒子加速，并应用于多种激波配置以研究其对宇宙射线谱的贡献。
2025-09-15 astro-ph.HE
Mechanisms of astrophysical jet formation, and comparison with laboratory experiments
喷流可以在年轻的恒星、X射线源、活动星系核（AGN）中观测到。射流的形成机理可分为规则射流、长时间连续射流和爆炸射流。连续机制与电动力学和辐射压力加速、厚盘内喷嘴中的流体动力学加速、相对论粒子束加速有关。爆炸喷流的形成与超新星、伽马射线暴和星系核爆炸事件有关。射流准直的机制可能与磁约束或外部气体压力有关。在实验中模拟了在实验室中用强激光束和等离子体聚焦形成射流的爆炸过程。
2019-05-15 astro-ph.HE
Beyond Fermi-II: Intermittent Particle Acceleration by Relativistic Turbulence in Astrophysical Plasmas
Centre for Space Research, North-West University（西北大学空间研究中心）
STRIPE框架揭示相对论湍流在微夸克星中产生硬幂律高能尾部，挑战传统费米-II模型。
2026-03-10 astro-ph.HE
Acceleration and propagation of ultra high energy cosmic rays
我们回顾了最高能量宇宙射线的物理学。对它们的来源的发现，仍然是未知的，将揭示宇宙中最具活力的天体，并可能揭示粒子物理学标准模型之外的新物理学。我们讨论了这些高能粒子的传播细节，它们与天体物理光子背景和星系际磁场的相互作用，以及与它们的运输相关的次级宇宙成因粒子的产生。我们研究了不同的加速模型，回顾了可以激发宇宙射线直到最高能量的主要天体物理对象。考虑到所观察到的质量组成的不确定性，我们审查了两种替代方案的组成仅由质子或质子和较重的原子核，讨论了两种方案的来源，加速机制和生产的二次宇宙成因的伽马射线和中微子方面的后果。
2017-07-25 astro-ph.HE
Type IIn supernovae as sources of high energy astrophysical neutrinos
结果表明，IceCube实验中观测到的高能天体物理中微子可以由在银河系外IIn型超新星遗迹中加速的质子通过在致密的星周介质中传播的激波产生。采用非线性扩散激波加速模型来描述粒子加速。本文计算了膨胀宇宙中单个IIn型超新星产生的中微子能谱和IIn型超新星产生的中微子背景能谱。我们还发现一个冰立方中微子候选者（径迹事件47）的到达方向是来自IIn型超新星2005bx的1.35 $^{\circ }$。
2015-10-28 astro-ph.HE
Particle acceleration in astrophysical jets
在这一章中，我们回顾了天体物理喷流中粒子加速的一些特征。我们首先描述四个观测结果有关的主题，特别强调在活动星系核和不同来源之间的平行喷流。然后，我们讨论的方式，粒子可以加速到高能量的磁化等离子体，主要集中在冲击加速，二阶费米和磁重联;在这个过程中，我们试图阐明的基本条件，必须满足任何机制的各种观测约束得到满足。我们描述了最大粒子能量的限制因素，并简要讨论了中微子和高能宇宙射线的多信使信号，然后描述的旅程射流等离子体从喷射发射到茧参考不同的加速机制。最后，我们对未来前景发表一些一般性评论。
2020-03-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
An Introduction to Particle Acceleration in Shearing Flows
剪切流在空间和天体物理等离子体中普遍存在。本文着重介绍了剪切流中带电粒子非热加速的中心思想，并评述了最近的一些进展。主题包括在无碰撞相对论剪切流中微观不稳定性对带电粒子的加速，宏观、渐进和非渐进剪切流中的费米型粒子加速，以及大尺度速度湍流对剪切粒子的加速。当把在喷射的天体物理源，如活动星系核的背景下，结果说明了各种手段超出了传统的扩散冲击加速的幂律粒子分布可能会产生。这表明相对论剪切流可以解释高能电子的有效原位加速，并与极端宇宙射线的产生有关。
2019-09-16 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
Preferential Positron Acceleration in Relativistic Magnetized Electron-Positron-Ion Shocks
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University（千叶大学理工学研究科）；Institute for Advanced Academic Research, Chiba University（千叶大学高等学术研究院）
本研究通过模拟揭示了相对论磁化激波中正子的偏好性加速机制，表明超相对论激波是脉冲星风中高能正子过剩的主要来源。
2026-02-24 astro-ph.HE
Plasma heating and particle acceleration in collisionless shocks through astrophysical observations
超新星遗迹（SNRs）是恒星爆炸的产物，是强大的天体物理实验室，由于它们明亮的电磁辐射，使我们能够研究无碰撞冲击的物理学。超新星（SNe）产生的冲击波冲击波为我们提供了一个观察窗口，以研究极端条件下，其特征在于高马赫数（和Alfvenic马赫数），以及强大的非热过程。在无碰撞冲击中，不同物质之间的温度平衡可能不会在冲击波阵面处达到。在这个框架下，不同的粒子种类可能会在不同的温度下加热（取决于它们的质量），在冲击后介质的信噪比。信噪比的另一个特点是，由于轻子和强子的非热布居，在激波前沿产生宽带非热发射。这些被称为宇宙射线的粒子通过扩散激波加速被加速到超相对论能量。如果SNR损失了很大一部分冲压能量来加速宇宙射线，那么激波动力学就应该相对于绝热情况而改变。相对于Rankine-Hugoniot值4，这种激波修正应导致总激波压缩比的增加。在这里，我表明，X射线高分辨率光谱（测量离子温度）和中等分辨率光谱（详细诊断的冲击后密度）的组合，可以利用研究的加热机制和粒子加速碰撞冲击。我报告的新结果，在SN 1987 A的残余物中测量不同的离子种类的温度。我还讨论了最近在SN 1006 a残骸中获得的激波修正的证据。D、其中冲击压缩比随着冲击速度和环境磁场之间的角度减小而显著增加。
2023-01-03 astro-ph.HE
Energetic Particle Acceleration in Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence
磁流体动力学（MHD）湍流是高能粒子加速的重要介质。针对磁湍流的可压缩特性，采用试验粒子方法研究了实际天体物理环境中可能出现的四种湍流区中粒子的Alfvén模、慢模和快模加速度.研究表明：（1）无论激波是否出现，二阶Fermi机制都通过粒子与湍流的相互作用驱动着三种模式级联过程中粒子的加速，（2）最大加速率的功率谱不仅可以揭示可压缩湍流的惯性范围，而且可以恢复模式之间的标度和能量比关系;（3）在超Alfvénic和超声速湍流中，快模式对粒子加速起主导作用，在亚Alfvénic湍流中，慢模式对粒子加速起主导作用，Alfvén模式对粒子加速的影响在加速的早期非常显著;（4）在一定的演化时间范围内，三种模式下的粒子加速均呈幂律分布。本文从粒子波模相互作用的角度出发，促进了对湍流性质和粒子加速行为的理解，有助于深入理解MHD湍流所涉及的天体物理过程。
2021-09-23 astro-ph.HE
Electron Acceleration via Lower-Hybrid Drift Instability in Astrophysical Plasmas: Dependence on Plasma Beta and Suprathermal Electron Distributions
本研究拓展低杂漂移不稳定性（LHDI）电子加速研究至更广天体等离子体环境，通过准线性模型确定等离子体β与超热电子谱斜率的加速临界值，发现超热电子可显著提升高β等离子体中的LHDI电子加速效率。
2025-10-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Physics and phenomenology of weakly magnetized, relativistic astrophysical shock waves
弱磁化的相对论性无碰撞激波不仅是高能天体物理源中相对论性喷流的自然产物，而且还与通过粒子加速和辐射的能量耗散的一些最突出的表现有关。也许它们最奇特和最令人兴奋的特征是，维持加速过程的磁化湍流，以及（可能）次级辐射本身，是由被加速的粒子本身自激发的，因此这些冲击波的现象学在很大程度上取决于冲击波的微观物理。在这篇评论中，我们绘制了一个状态报告，这种微观物理，基准分析参数与粒子在细胞模拟，并提取直接感兴趣的现象学的后果，特别是关于所谓的微观物理参数中使用的现象学研究。
2020-12-16 astro-ph.HE
Particle acceleration by counter-propagating circularly polarized Alfvén waves
研究发现在两列反向传播的圆偏振Alfvén波中存在高效粒子加速机制，波振幅超过临界值后粒子可不可逆地获得相对论性能量，且最大可获能量随波数和频率降低而增加。
2023-04-05 astro-ph.HE
Fast acceleration of transrelativistic electrons in astrophysical turbulence
正如观测到的电磁辐射所表明的那样，从太阳耀斑到星系团内介质，高能相对论电子普遍存在于许多天体物理系统中。然而，关于加速和可能再次加速的机制，仍然存在悬而未决的问题。普遍存在的等离子体湍流是可能的普遍机制之一。本文采用混合粒子模拟方法研究了跨相对论电子在湍流中的运动，提供了一个从MHD到亚离子尺度的Alfvénic湍流模型，并对电子进行了粒子模拟。我们发现，取决于电子的初始能量和湍流强度，电子可能会经历一个快速和有效的阶段，由于磁曲率漂移期间，他们被困在动态磁结构。此外，电子被随机加速，这是一个较慢的过程，产生较低的最大能量。这两个过程的组合效应决定了总的电子加速。通过适当的湍流参数，我们发现超热电子可以被加速到相对论能量。例如，在日光层参数和相对较高的湍流水平下，快速达到MeV的能量是可能的。
2020-04-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Topics in microphysics of relativistic plasmas
天体物理等离子体的参数可能与研究较多的实验室和空间等离子体有很大的不同。特别地，磁场可以是等离子体的主要成分，其能量密度超过粒子静止质量能量密度。磁场决定了等离子体的动力学演化、能量耗散和非热粒子的加速。最近的数据来自天体物理学的高能量任务，如磁星爆发和蟹状星云耀斑，指出磁重联的重要性，在这些对象。在这篇评论中，我们概述了一个广泛的问题，在磁主导的相对论等离子体的天体物理相关的过程。讨论了相对论等离子体的大尺度动力学、相对论重联和重联层粒子加速、力-费等离子体中的湍流级联等问题。一些天体物理应用也进行了讨论。
2013-05-16 astro-ph.HE
Dynamical fast flow generation/acceleration in dense degenerate two-fluid plasmas of astrophysical objects
我们已经表明，由于统一的反向发电机/发电机机制的初始湍流（微尺度）的磁场/速度场的简并二流体天体物理系统中的快速宏观尺度等离子体流的产生/放大。这一过程与微观尺度的统一发电机是同时进行的，并相互补充。研究发现，宏观尺度流动的产生是磁流体耦合的必然结果，宏观尺度快速流动的产生与磁场的产生是同时发生的，两者成比例增长。由此产生的动态流加速是直接成比例的初始湍流磁（动能/磁）能量在简并的e-i（简并的e-p）天体物理等离子体的过程是非常敏感的系统和磁流体耦合的简并水平。在简并e-p等离子体中，对于实际的物理参数，总是存在这样一个色散关系的实解，它保证了强宏观尺度流/外流的形成;产生/加速的局部超Alfvénic流非常快，Alfvén马赫数为$> 10^3$，正如在各种天体物理外流中所观察到的那样
2020-09-16 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Progress in unveiling extreme particle acceleration in persistent astrophysical jets
宇宙中最强大的持续加速器是喷射的活动星系。耀变体，星系的喷流指向地球，主宰着河外的伽马射线天空。尽管如此，大多数高能粒子加速器很可能无法被探测到。这些极端耀变体的辐射能量峰值可超过10 TeV，是研究粒子加速和辐射过程的理想目标，并可能提供与宇宙射线和天体物理中微子的联系。在TeV能量下观测到的极端耀变体的数量越来越多，这对伽马射线宇宙学的出现至关重要，包括对河外背景光的测量，星系际磁场的严格限制，以及对人造加速器无法达到的能量下的奇异物理学的限制。在过去十年中取得了巨大的进展，这预示着未来，特别是随着切伦科夫望远镜阵列的部署。
2020-07-24 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Dissipation and particle acceleration in astrophysical jets with velocity and magnetic shear: Interaction of Kelvin-Helmholtz and Drift-Kink Instabilities
通过二维PIC模拟研究相对论对等离子体中KH与DK不稳定性的耦合，发现其破坏猫眼涡旋、增强耗散并驱动高效非热粒子加速。
2025-01-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Acceleration of electrons and ions by an "almost" astrophysical shock in the heliosphere
Parker Solar Probe在距太阳3450万千米处观测到近平行强激波，证实电子加速至6 MeV、离子经自洽过程被注入加速，且激波结构符合天体物理强激波理论。
2024-05-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Galactic Cosmic Ray Acceleration with Steep Spectra
银河系宇宙射线（CR）被天体物理激波加速，主要是超新星遗迹（SNR），通过扩散激波加速（DSA），一个有效的机制，预测CR的幂律能量分布。然而，对非热SNR发射和银河系CR的观测都意味着CR光谱比标准DSA预测的$\propto E^{-2}$更陡。最近的动力学混合动力模拟表明，这种陡峭的光谱可能是一个“后标”的结果，或漂移的CR和磁结构相对于后面的冲击热等离子体。使用半解析模型的非线性DSA，我们推广到广泛的天体物理冲击的结果。通过考虑后标的存在，我们产生了比$E^{-2}$陡得多的CR能量分布，并且与观测结果一致。我们的形式再现了银河系SNR的适度陡峭的光谱（$\propto E^{-2.2}$）和年轻射电超新星的非常陡峭的光谱（$\propto E^{-3}$）。
2021-09-22 astro-ph.HE
Astrophysical Wake Acceleration Driven by Relativistic Alfvenic Pulse Emitted from Bursting Accretion Disk
我们认为，在吸积盘的这个最里面的部分的射流中产生的电磁脉冲加速带电粒子（质子，离子，电子）到非常高的能量，包括能量以上的质子和原子核的情况下$10^{20}$ eV和$10^{12-15}$ eV的电子通过电磁波-粒子相互作用。由磁旋转不稳定性引起的盘中的偶发爆发吸积产生了强的Alfvenic脉冲，其充当集体加速有质动力的驱动器。这种有质动力驱动着尾流。加速的强子（质子和原子核）被释放到星系际空间成为超高能宇宙射线。另一方面，高能电子在电磁扰动的碰撞中发射光子，产生活动星系核的各种非热辐射（无线电，红外线，可见光，紫外线和伽马射线）。将该理论应用于M82 X-1，发现它可以解释$6\times 10^{19}$ eV以上的超高能宇宙射线北热点。我们还讨论了其他附近的活动星系核，中子星合并，高能中微子的天体物理意义。
2019-05-14 astro-ph.GA astro-ph.HE
Sources of high-energy astrophysical neutrinos
本文综述中微子天文学结果，分析AGN喷流、GRB和TDE等相对论性外流作为高能中微子及UHECR来源的约束与未决问题。
2024-05-08 astro-ph.HE
Astrophysical Evidence of Wakefield Acceleration in Galactic and Extragalactic Jets via Gamma Rays and UHECRs
UC Irvine, Physics and Astronomy（加州大学尔湾分校）；UC Riverside, Physics and Astronomy（加州大学河滨分校）；Computational Astrophysics Laboratory, RIKEN（理化学研究所计算天体物理实验室）
通过伽马射线和UHECRs研究银河系和星系际喷流中的Wakefield加速机制，揭示其在不同质量天体中的普适性及高能粒子加速能力。
2020-09-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Toy model for the acceleration of blazar jets
内容：从理论和观测的角度来理解天体物理喷流的加速机制一直是一项繁琐的工作。尽管近年来取得了一些突破，但在各方面，我们仍然缺少一个全面的天体物理喷流加速模型。目的：在这项工作中，我们试图构建一个简单的玩具模型，可以解释几个观测和理论结果，并允许我们探测blazar喷流的不同方面，通常无法观测。研究方法：我们使用玩具模型和文献中的洛伦兹因子估计来约束blazar的黑洞自旋和外压梯度分布。结果如下：结果表明：（1）该模型能再现由观测独立推断的M87喷流的速度、自旋和外压梯度，（2）耀变体中存在高自旋的黑洞，其中99%的BL Lac天体和80%的平谱射电类星体的自旋a>0.6;（3）BL Lac天体与平谱射电类星体的二分法可能与它们各自的吸积速率有关。利用该模型计算了75颗blazar星的自转和外压梯度。
2018-05-14 astro-ph.HE
Particle Acceleration in Shearing Flows: Efficiencies and Limits
我们研究限制剪切流中的粒子加速的效率，表明相对论流速需要有效的渐进剪切加速。我们估计最大可实现的粒子能量适用于相对论活动星系核喷流的参数。我们的估计的影响是，如果大规模的射流是相对论的，那么有效的电子加速到几个PeV，质子加速到几个EeV的能量似乎是可行的。这表明剪切粒子加速可能导致同步加速器X射线发射电子的持续加速，并与超高能宇宙射线粒子的产生有关。
2019-11-13 astro-ph.HE
Relativistic Shear Flow Between Electron-Ion and Electron-Positron Plasmas and Astrophysical Applications
本文给出了电子-离子和电子-正电子等离子体之间相对论剪切边界层的Particle-in-Cell模拟结果，并讨论了它们在天体物理中的潜在应用。具体来说，我们发现在一个快速的电子-正电子脊柱周围的缓慢移动或静止的电子-离子鞘的情况下，轻子加速进行高度各向异性的方式，由于在剪切界面处产生的电磁场。虽然最高能量的轻子仍然会产生1/Γ阶的聚束模式（如鞘层的准定常坐标系中所见），其中Γ是脊柱的体积洛伦兹因子，但对于较低能量的粒子，聚束就不那么明显了。这与纯电子-离子剪切层的情况形成鲜明对比，在纯电子-离子剪切层中，各向异性粒子加速导致最高能量粒子的波束图案明显窄于1/r。在这两种情况下，剪切层加速预计将产生强烈的角度依赖轻子（因此，发出辐射）的光谱，与从更大的离轴角度观察的光谱相比，在向前的方向上具有明显更硬的光谱，远远超出了共同运动的各向同性轻子分布的常规多普勒增强效应。这可能解决了需要高（显然是任意选择的）辐射电子的最小洛伦兹因子的问题，通常会破坏当前的blazar和GRB喷流建模工作。
2016-12-22 astro-ph.HE
Towards a model of population of astrophysical sources of ultra-high-energy cosmic rays
我们建立并讨论了一个玩具模型的人口众多的非相同的河外源的超高能宇宙射线。在该模型中，宇宙射线粒子在星系核中的超大质量黑洞的磁层中被加速，加速的关键参数是黑洞质量。我们使用天体物理数据的红移依赖的黑洞质量函数来描述人口的这些宇宙射线加速器，从弱到强，并面对模型的宇宙射线数据。
2012-07-12 astro-ph.HE
Electron-scale shear instabilities: magnetic field generation and particle acceleration in astrophysical jets
在天体物理喷流中发现的强剪切流区域被证明是重要的耗散区域，在那里剪切流动能通过剪切不稳定性被转换为电场和磁场能量。这些自洽场的出现使剪切流成为辐射发射和粒子加速的重要场所。我们专注于电子尺度的不稳定性，即碰撞，非磁化开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）和大规模的直流磁场产生机制的电子尺度。我们表明，这些过程是重要的候选人，以产生磁场在存在强的速度剪切，这可能自然地起源于活动星系核的高能物质爆发和伽玛射线爆发。我们表明，KHI是强大的剪切流之间的密度跳跃，从而在不同的密度对比度的各种情况下操作。多维粒子在细胞（PIC）模拟的KHI，与OSIRIS进行，揭示了一个强大的和大规模的直流磁场组件，这是没有捕获的标准线性流体理论的出现。该直流分量来自与穿过剪切层的一个流进入另一个流的电子的热膨胀相关联的动力学效应，而离子由于其惯性而保持不受干扰。电子膨胀形成直流电流片，其感生直流磁场。我们的研究结果表明，在KHI开发的电磁能量的大部分存储在直流分量，达到电子时间尺度上的$10^{-3}$的顺序均分的值，并持续时间比质子的时间尺度。粒子散射/加速在这些剪切流不稳定性的自生领域进行了分析。
2014-04-02 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
Three-dimensional simulations of non-resonant streaming instability and particle acceleration near non-relativistic astrophysical shocks
本文利用磁流体动力学单元中的粒子模型模拟了高马赫数平行激波中粒子的加速和磁场放大，并与二维模型进行了比较。这使我们能够确定是否可以依靠2-D模拟来产生粒子加速、磁场放大和不稳定性增长率方面的准确结果。我们的模拟表明，气体的行为和不稳定性的演变是定性相似的2-D和3-D模型，只有轻微的定量差异，主要涉及的增长速度的不稳定性。二维和三维模型的主要区别在于非热粒子的谱能量分布。二维模拟被证明是更有效的，加速了更大比例的粒子，并实现了更高的速度。我们的结论是，虽然2-D模型是足够的气体中的不稳定性进行调查，他们的结果必须谨慎对待时，预测预期的SED一个给定的冲击。
2019-09-16 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.space-ph
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
Turbulent Shear Acceleration
考虑了长度尺度大于粒子平均自由程的大尺度不可压湍流对粒子的加速作用，从包含剪切加速的扩展输运方程出发，导出了高能带电粒子的整体平均输运方程。整体平均输运方程描述了不可压缩湍流（湍流剪切加速）引起的颗粒加速。我们发现，对于Kolmogorov湍流，湍流剪切加速度在小尺度下变得重要。此外，通过蒙特卡罗模拟，我们证实了整体平均输运方程描述了湍流剪切加速。
2013-01-28 astro-ph.HE
Nonthermal element abundances at astrophysical shocks
元素的非热源丰度在理解从几GeV到几十EeV的宇宙线（CR）现象中起着至关重要的作用。我们提出了第一个系统的方法来描述的丰度的变化从热的非热状态通过扩散冲击加速的时间演变的冲击。在此，我们不仅考虑了周围气体中所含元素的电离状态，我们允许由于冲击加热而与时间有关，而且还考虑了凝聚在固体上的元素，带电的尘埃颗粒也可以被注入加速过程。我们的通用参数化模型，然后应用到粒子加速超新星遗迹在各种ISM阶段的情况下，我们使用国家的最先进的计算软件包来计算所有元素的电离态。由此产生的预测低能宇宙线（LECR）源丰度与各种实验获得的数据进行了比较。我们得到了很好的协议，在温暖的电离ISM环境中的冲击，其中包括HII地区，如果尘埃颗粒被注入到扩散冲击加速过程中具有比离子高得多的效率。发现拟合质量对离子的质荷比的依赖性较小。对于中性环境，假设在弱电离分量中有激波，对于热电离介质，我们得到的拟合一般较差，但除了冷中性介质，我们不排除它们作为银河系CR产生的次优势场所。发现关键的挑战是将纯气相元素如氖和（半）挥发性元素磷、硫和氯的LECR丰度与硅、钙和铁族元素保持适当的平衡。最后，一个简短的展望的潜在后果的理解CR组合物在更高的能量。
2020-12-17 astro-ph.HE
Spectra of Astrophysical Particles at Ultra High Energy and the Auger Data
我们使用动力学方程的方法来描述超高能宇宙线质子和原子核的传播比较的理论结果与皮埃尔俄歇天文台的观测。
2014-12-23 astro-ph.HE
Turbulence and Particle Acceleration in Shearing Flows
我们探讨了相对论性剪切流中剪切驱动的不稳定性对高能粒子加速的约束。我们发现，剪切层在大规模活动星系核喷流很可能包含一个相当大的分数（$\geq 0.1$）的射流半径，需要种子注入的GeV电子有效的加速。虽然扩散过程可能取决于预先开发的湍流，如果发生在较高的能量注入，电子加速到PeV和质子加速到EeV的能量出现可能的射流稳定性所施加的约束内。
2021-01-15 astro-ph.HE
Fast Particle Acceleration at Perpendicular Shocks with Uniform Upstream Magnetic Field and Strong Downstream Turbulence
冲击波通过扩散冲击加速（DSA）机制产生相对论粒子。在各种情况下，快速加速已被预期为垂直冲击。研究了垂直冲击波加速粒子的加速时间和能谱。在我们的模型中，上游垂直磁场没有波动，下游区域是高度湍流。此时，颗粒的运动在上游为回旋运动，下游为类玻姆扩散运动。在这种情况下，我们推导出一个解析形式的加速时间。利用测试粒子模拟，我们的公式的有效性进行了验证。此外，粒子的能谱与标准DSA预测的结果相同。因此，目前提出的机制同时实现了快速加速和正则谱，$dN/dp \propto p^{-2}$，即使没有上游磁放大。
2020-05-31 astro-ph.HE
Particle acceleration in a shock wave propagating to an inhomogeneous medium
我们用蒙特卡罗模拟研究了上游密度起伏对扩散激波加速的影响。模拟结果表明，粒子在激波下游区域被激波前沿产生的声波再加速。估算了声波加速湍流的时间尺度。我们提出了一种新的粒子在激波阵面周围加速的反作用。被加速的粒子通过德鲁里不稳定性产生上游的密度波动，该波动通过激波被转换成下游的声波。下游的声波改变了在激波阵面周围加速的粒子的动量谱。这种新的反作用影响了被加速粒子的发射，这对扩散激波加速的加速效率给出了新的约束。
2020-05-25 astro-ph.HE
Particle Acceleration in Relativistic Magnetized Collisionless Pair Shocks: Dependence of Shock Acceleration on Magnetic Obliquity
利用2.5维和3维粒子模拟方法研究了相对论磁化无碰撞对激波的激波结构和粒子加速。我们探讨了冲击前磁场和冲击法线之间的倾斜角度范围。我们发现，只有磁倾角对应的“亚光速”冲击，其中相对论粒子的磁场后，可以逃脱前面的冲击，导致粒子加速。在这种冲击的下游频谱包括一个相对论麦克斯韦和高能量幂律尾指数截止。随着磁倾角在亚光速范围内的增加，高能尾所占的粒子比例（从~1%到~2%）和能量（从~4%到~12%）都在增加。幂律的谱指数随角度从-2.8+-0.1增加到-2.3+-0.1。对于几乎平行的激波，粒子加速由扩散激波加速过程驱动，对于较大的亚光速倾角，粒子加速切换到激波漂移加速。对于“超光速”激波，下游粒子谱没有显示出任何明显的超热尾。从上游坐标系可以看出，相对论性（洛伦兹因子gamma 0> 5）磁化（sigma > 0.03）流中的有效加速只存在于很小的磁倾角范围内（< 34/gamma 0度），因此相对论性天体物理对激波必须要么接近平行，要么弱磁化，以产生非热粒子。这些发现限制了AGN喷流、脉冲星风星云和伽马射线暴的模型，这些模型在相对论磁化冲击中引起粒子加速。（节录）
2009-01-19 astro-ph.HE
Stochastic Electron Acceleration in SNR RX J1713.7-3946
由于带电粒子与等离子体波的相互作用而产生的随机加速可能是在各种天体物理系统中产生超热粒子的原因。这个过程可以用福克-普朗克方程描述为能量空间中的扩散过程。本文用含时数值程序求解了扩散系数为一般形式的、仅含时间和能量变量的约化Fokker-Planck方程。我们还提出了Sedov爆炸中粒子加速的自相似模型，并以TeV SNR RX J1713.7-3946为例说明了模型的特性。利用马尔可夫链蒙特卡罗方法对模型参数进行观测约束。
2012-04-04 astro-ph.HE
Origin of Nonthermal Emission from the Fermi Bubbles and Mechanisms of Particle Acceleration There
我们分析了费米泡中粒子的加速过程。我们研究的目的是获得加速机制的限制。我们对背景等离子体加速、超新星遗迹发射的相对论电子再加速和银河系中心恒星潮汐破裂过程产生的激波加速这三个过程的分析表明，多激波加速模型目前没有严重的异议，因此似乎我们比其他模型更有吸引力。
2013-11-26 astro-ph.HE
Reconnection and particle acceleration in 3D current sheet evolution in moderately-magnetized astrophysical pair plasma
磁重联是一种将磁能转化为粒子动能的等离子体过程，常被用来解释脉冲星风星云和黑洞喷流等天体物理源中高能耀斑的磁能释放。重联通常被视为撕裂不稳定性破坏薄电流片的非线性演化（基本上是二维的）。为了测试这个过程在3D中是如何运作的，我们进行了一个全面的粒子模拟研究，比较了中等磁化、无碰撞、相对论热的电子-正电子等离子体中长而薄的电流片的2D和3D演化，并发现了巨大的差异。我们首先系统地描述了这个过程中的二维，经典的，分层的等离子体团链重连决定能量释放，并探讨了广泛的初始配置，引导磁场强度，和系统的大小。然后，我们表明，类似的配置的三维模拟表现出多样性的行为，包括一些能量释放是由非线性相对论漂移扭结不稳定性。因此，3D电流片的演变并不总是从根本上经典的重新连接与扰动的3D效果，而是一个复杂的相互作用的多个线性和非线性不稳定性，其相对重要性敏感地依赖于周围的等离子体，未成年人的配置细节，甚至随机事件。它通常产生比2D更慢但更持久的最终更大的磁能释放。有趣的是，非热粒子加速非常稳健，这取决于上游磁化和引导场，但在2D和3D中产生类似的粒子能量谱。虽然潜在的电流片行为的多样性是有趣的，但整体能量释放和粒子谱的相似性可能更显着。
2021-12-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Particle Acceleration during Magnetorotational Instability in a Collisionless Accretion Disk
利用粒子模拟方法研究了无碰撞吸积盘中磁旋转不稳定性（MRI）过程中粒子的加速。讨论了磁重联不仅对磁共振饱和，而且对相对论粒子产生的重要作用。由MRI发电机的作用引起的$p_{\perp} > p_{\para}$的等离子体压力各向异性导致磁重联的快速增长，导致具有硬幂律谱的非热粒子的快速产生。这种无碰撞吸积盘的有效粒子加速机制可能是解释大质量黑洞周围高能粒子起源的一个可能模型。
2013-06-28 astro-ph.HE
On the continuum radio-spectrum of Cas A: possible evidence of the non-linear particle acceleration
分析了Cas A在连续谱中的积分射电谱，特别强调了可能的高频谱弯曲。我们的结论是，最有可能的情况是，普朗克的新数据揭示了非线性粒子加速的痕迹，在这种情况下，年轻的银河系超新星遗迹（SNR）。
2015-03-28 astro-ph.HE
Nonlinear particle acceleration and thermal particles in GRB afterglows
伽玛射线暴余辉辐射的标准模型将加速电子布居视为简单的幂律，$N(E) \propto E^{-p}$对$p \gtrsim 2$。然而，在标准的费米激波加速中，有相当一部分被扫起的粒子根本不进入加速过程。此外，如果加速是有效的，那么加速粒子对激波结构的非线性反作用会改变粒子谱的非热尾的形状。这两个标准的同步辐射余辉的修改影响余辉的光度，光谱和时间变化。为了研究包括热粒子和非线性粒子加速对余辉发射的影响，我们遵循一个流体动力学模型的余辉射流和模拟加速过程中的许多点的演变。当包括热粒子时，我们发现电子布居数在任何时候都不符合单一的幂律，尽管最高能量的电子是;如果加速是有效的，那么幂律区域甚至更小。我们的模型预测硬-软-硬光谱演化在X射线能量，以及一个解耦的X射线和光学光曲线。此外，我们表明，包括从热粒子的发射有显着的影响（100和30，分别为因素）在光学和GeV能量的观测通量。GeV辐射的增强使得未来的$γ$射线观测站（如CTA）很有可能探测到余辉。
2017-01-16 astro-ph.HE
Search for Neutrinos from the Galactic 4FGL Sources with the Pion-bump Signature with IceCube
本研究利用IceCube的13年观测数据，搜寻4FGL星表中56个具π介子峰特征的银河系源的中微子辐射，以探寻宇宙线加速位点。
2025-07-30 astro-ph.HE
Analytical Solution of Magnetically Dominated Astrophysical Jets and Winds: Jet Launching, Acceleration, and Collimation
我们提出了一个解析解的高度磁化喷流/风流。一般无力喷流/风方程（“脉冲星”方程）的左边被分成旋转和非旋转项。这两个方程的任何一项都可以解析求解，并且两个解彼此匹配得很好。因此，我们获得了磁主导喷流/风的一般近似解，该解涵盖了非相对论性到相对论性区域，并且漂移速度与冷等离子体速度很好地匹配。射流的加速包括三个阶段。(1)喷流位于阿尔文临界面（即轻圆柱）内，具有非相对论性速度，并由环形运动主导。(2)喷流超过阿尔文临界面，在那里，流动由极向运动主导，并变得相对论。这两个阶段的总速度遵循相同的规律$vΓ=ΩR$。(3)用$vΓ\approx1/\left(θ\sqrt{2-ν}\right)$代替演化规律，其中$θ$是射流的半张角，$0\leqν\leq2$是由磁场配置确定的自由参数。这是因为早期的有效加速最终打破了射流中不同部分之间的因果关系，阻止了全局解决方案。喷气机必须携带局部电荷和电流，以支持电磁平衡。该近似解与已知的理论结果和数值模拟结果一致，并且更便于直接与观测值进行比较。这个理论可以用来限制天体物理喷流中黑洞的自旋。
2021-01-14 astro-ph.GA 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
Diffusive shock acceleration at laser driven shocks: studying cosmic-ray accelerators in the laboratory
负责许多天体物理系统的发射的非热粒子谱被认为是通过一阶费米过程（也称为扩散激波加速）来自激波。同样的机制也被广泛认为是高能宇宙射线产生的原因。随着人们对激光等离子体中无碰撞激波物理的兴趣日益增长，在受控实验室中再现和检测激波加速度的可能性应该被考虑。必须满足的各种实验限制进行审查。它表明，几个目前正在运行的激光设施可能满足必要的标准，以确认发生的扩散冲击加速的电子在激光产生的冲击。在实验室中成功再现费米加速可以打开一系列的可能性，提供对发生在宇宙射线的天体物理源附近的复杂等离子体过程的深入了解。
2012-11-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
SLAMS-Propelled Electron Acceleration at High-Mach Number Astrophysical Shocks
通过动理学粒子模拟，研究了高马赫数无碰撞激波上游短大振幅磁结构（SLAMS）的增长，发现其与激波相互作用导致准周期激波加速（QSA）机制，为超新星遗迹中观测到的陡峭电子谱提供了解释。
2025-07-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
