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
Large-scale magnetic field generation via the kinetic Kelvin-Helmholtz instability in unmagnetized scenarios
无碰撞等离子体不稳定性是天体物理学场景中产生磁场的基础，但它们的作用在不存在速度剪切的场景中得到了解决。在这项工作中，我们表明，在研究现实的天体物理场景时，必须考虑速度剪切，因为这些触发无碰撞开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）。我们提出了第一个自洽的三维（3D）的粒子在细胞（PIC）模拟的KHI在相关的条件下，非磁化的相对论外流与速度剪切，如活动星系核（AGN）和伽马射线暴（GRB）。我们展示了一个强大的大规模直流磁场的产生，它延伸到整个剪切表面，达到几十个电子集肤深度的厚度，并坚持时间尺度远长于电子的时间尺度。这种直流磁场不被MHD模型捕获，因为它是由固有的动力学效应引起的。结果表明，KHI能产生强磁场，在电子时间尺度上的均分值可达ε_B/ε_p ~ 10^-3。KHI诱导的磁场具有导致明显辐射特征的特征结构，并且可以播种湍流发电机放大过程。KHI的动力学与非热辐射模型有关，并且在存在速度剪切的情况下，也会对相对论激波的形成产生强烈影响。
2011-12-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiation from accelerated particles in relativistic jets with shocks, shear-flow, and reconnection
本文研究了非磁化相对论性喷流在非磁化等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。尾喷流激波中产生的强磁场导致电子的横向偏转和加速。我们自洽地计算了在湍流磁场中加速的电子的辐射。我们发现，合成光谱依赖于体洛伦兹因子的喷流，喷流的温度，和强度的磁场中产生的冲击。我们还开始研究电子在由动力剪切（开尔文-亥姆霍兹）不稳定性产生的强磁场中的加速。我们计算的光谱应该导致更好地理解复杂的时间演化和/或光谱结构从伽马射线暴，相对论喷流，超新星遗迹。
2013-03-11 astro-ph.HE
Cocoon formation by a mildly relativistic pair jet in unmagnetized collisionless electron-proton plasma
通过模拟温度为400 keV的电子和正电子云的膨胀，以平均速度0.9 c（$c:$光速）通过最初未磁化的电子-质子等离子体与粒子在细胞（PIC）模拟，我们发现了一种机制，准直成喷流对云。在静止的质子和运动的正电子之间会产生一种平行不稳定性。它的磁场校准正电子，并将静电冲击驱动到电子质子等离子体中。磁场的作用就像一个不连续点，它将被冲击的周围等离子体中的质子（被称为外茧）与喷流的内部区域分开。外茧沿射流轴线以0.15c的速度膨胀，垂直于射流轴线以0.03c的速度膨胀，射流的定向流动能量在内茧中转化为磁能。磁不连续性不能将周围的电子与喷流电子分开。这两个物种迅速混合，变得难以区分。的正电荷载流子的空间分布是在协议的环境材料和射流材料的分布预测的流体动力学模型，除了稀释的正电子流出，是由在射流的头部的电磁场加速。
2018-11-09 astro-ph.HE
Radiation from Particles Accelerated in Relativistic Jet Shocks and Shear-flows
本文研究了非磁化相对论性喷流等离子体传播到非磁化环境等离子体中的激波和剪切流引起的粒子加速和发射。射流激波中产生的强电磁磁场是通过扰动（韦伯）不稳定性产生的。冲击场强度和结构取决于等离子体成分（（$e^{\pm}$或$e^-$ - $p^+$等离子体）和洛伦兹因子。在喷流与周围等离子体的速度剪切中，通过动力学Kelvin-Helmholtz不稳定性（kKHI）产生了强的交流（$e^{\pm}$等离子体）或直流（$e^-$ - $p^+$等离子体）磁场，磁场结构也依赖于喷流洛伦兹因子。我们自洽地计算了在冲击波产生的磁场中加速的电子的辐射。光谱取决于射流的初始洛伦兹因子和温度，通过所产生的粒子加速和磁场产生。我们正在进行的“全球”喷流模拟包含冲击和速度剪切，将为我们提供计算和模拟复杂的时间演化和/或从伽马射线暴，活动星系核喷流和超新星遗迹观察到的光谱结构的能力。
2014-12-22 astro-ph.HE
Simulation of Relativistic Jets and Associated Self-consistent Radiation
在无碰撞冲击中激发的等离子体不稳定性是粒子加速的原因。本文研究了非磁化相对论正负电子喷流在非磁化正负电子等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。冷喷流电子被热化和减慢，而周围的电子被扫起，以创建一个部分发展的流体动力学样的激波结构。在前导冲击中，电子密度在模拟帧中增加约3.5倍。在尾激波中产生强电磁场，并提供发射点。这些磁场有助于电子的横向偏转后面的冲击。我们的喷流与环境相互作用的反平行磁场的初步结果显示堆积的磁场在碰撞冲击，这可能会导致重联和相关的粒子加速。我们将探讨瞬态辐射作为瞬发辐射前兆的一种可能的产生机制。在我们的模拟中，我们计算了冲击区电子的辐射。这种辐射的详细性质对于理解伽马射线暴、相对论喷流和超新星遗迹中复杂的时间演化和光谱结构是非常重要的。
2011-11-15 astro-ph.HE
Weibel instability and associated strong fields in a fully 3D simulation of a relativistic shock
等离子体不稳定性（例如，Buneman，Weibel和其他双流不稳定性）在无碰撞冲击中激发，是粒子（电子，正电子和离子）加速的原因。利用一种新的三维相对论粒子模拟程序，研究了非磁化相对论正负电子喷流在非磁化正负电子等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。为了研究韦伯不稳定性、粒子加速机制和激波结构的非线性阶段，使用了一个长的模拟系统进行了模拟。冷喷流电子被热化和减慢，而周围的电子被扫起来，以创建一个部分发展的流体动力学（HD）一样的激波结构。在先导冲击中，电子密度在模拟帧中增加了3.5倍。在尾激波中产生强电磁场，并提供发射点。我们讨论了我们的模拟结果在活动星系核和伽玛暴背景下的可能影响。
2009-04-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
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
The stability of strong waves and its implications for pulsar wind shocks
强波可以介导脉冲星风与其周围环境之间的激波跃迁，扮演着扩展前体的角色，其中能量有效地从场转移到非热粒子。这种前兆的衰减导致赤道附近的激波基本上没有磁化。在这方面，我们讨论了强波的稳定性及其对冲击性质的影响。具有稳定前体的星云可以存在于大多数孤立的星云风中，但如果星云外部压力很高，前体可能不稳定，如船帆座星云。偏心双星系统中的脉冲星风激波，如B1259-63，只能在某些轨道相位获得前兆，这一过程应伴随着增强的同步康普顿和逆康普顿发射的前兆。在HESS J 0632 +057二进制文件中也可能存在相同的情况。
2013-10-22 astro-ph.HE
Collisionless Shock Driven by a Supersonic Velocity Shear
The University of Tokyo（东京大学）
研究通过粒子模拟发现，无磁化正负电子对等离子体中，Alves不稳定性驱动超音速速度剪切形成无碰撞激波，该激波可加速高能粒子并产生剪切加速所需的磁场湍流，为剪切加速注入问题提供了可能的解决方案。
2026-10-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Synthetic Spectra from PIC Simulations of Relativistic Collisionless Shocks
我们提取合成光子光谱的第一性原理粒子模拟的相对论冲击波在非磁化对等离子体中传播。辐射的两个基本成分，即加速粒子和磁场，作为激波演化的一部分自洽地产生。我们使用Hededal & Nordlund（2005）的方法，通过对大量粒子的远场电场进行傅立叶变换来计算光子谱，这些粒子直接从模拟中采样。我们发现，相对论性无碰撞激波的光谱与韦伯不稳定性产生的磁场中的同步辐射完全一致。只有人为地降低电磁场的强度，使摇摆器参数K = qB λ/mc^2变得比1小得多（“B”和“λ”分别是磁湍流的强度和尺度），我们才能恢复所谓的“抖动”状态。这些发现可能会限制天体物理学中非热辐射的起源，特别是对伽马射线暴的硬（比同步加速器更硬）低频谱的解释。
2009-08-22 astro-ph.HE
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
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
Dynamical efficiency of collisionless magnetized shocks in relativistic jets
所谓的内激波模型旨在解释起源于耀变体流和伽马射线暴的非热过程所产生的光变曲线和光谱。一个长期存在的问题是，在相对论性流中驱动的微弱的无碰撞冲击是否足够有效，以解释与预期的外流动能相比所观察到的能量。在这项工作中，我们研究了相对论磁化外流的内部冲击的动能转换为热能/磁能的动态效率。我们发现，具有非零相对速度的壳之间的碰撞可以产生两个相反移动的冲击（在接触面处于静止的框架中），或反向冲击和前向稀疏。对于中等磁化强度的冲击波（磁化强度σ ~ 0.1），两壳层相互作用的动力学效率可达40%。因此，中等磁化冲击的动态效率大于相应的未磁化的两壳层相互作用。我们发现，效率仅弱依赖于壳层的洛伦兹因子，因此在耀变体和伽马射线暴的磁化流的内部冲击是近似相等的效率。
2010-12-11 astro-ph.HE
A Study of the Early-stage Evolution of Relativistic Electron-Ion Shock using 3D PIC Simulations
我们报告的结果进行了三维粒子在细胞（PIC）模拟研究的冲击形成时，非磁化的相对论性喷流与周围的电子-离子等离子体相互作用的早期演变。在环境坐标系中观察到与相互作用有关的全激波结构。当在射流方向上采用开放边界时，前向冲击被看作是由静电冲击与双层相结合组成的混合结构，而反向冲击被看作是双层。环境离子在前向激波中表现出两个明显的特征：一个是从前体区进入激波区的离子数，另一个是从激波区进入前体区的加速离子数。这种行为是静电冲击和双电层结合的特征。喷射电子被认为是静电捕获之间的正向和反向冲击结构，显示在相空间图中的环状分布，而周围的电子热化，并成为基本上各向同性的冲击区域。在相当短的时间尺度内，在正激波过渡层和反激波过渡层，磁能密度都增长到喷流动能密度的几个百分点。在这个时间尺度上，我们看到喷射离子的扰动很小。
2014-07-17 astro-ph.HE
Transverse electron-scale instability in relativistic shear flows
电子尺度的表面波被证明是不稳定的剪切流在一个最初未磁化的等离子体的横向平面，不同的（磁）流体动力学的情况下。研究发现，这些不稳定模式有一个更高的增长率比密切相关的电子尺度Kelvin-Helmholtz不稳定性在相对论剪切。多维粒子模拟验证了分析结果，并进一步揭示了蘑菇状电子密度结构的出现在非线性阶段的不稳定性，类似于在瑞利泰勒不稳定性，尽管尺度和不同的基础物理的巨大差距。宏观（$\gg c/ω_{pe}$）领域被证明是由这些微观剪切不稳定性，这是相关的粒子加速，辐射发射和种子MHD过程在长的时间尺度。
2015-05-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle spectra and efficiency in nonlinear relativistic shock acceleration: survey of scattering models
本文给出了相对论激波形成和费米加速的非线性蒙特卡罗模型中散射平均自由程的一般形式。粒子模拟（PIC）和理论分析表明，相对论激波会产生短尺度的自生磁湍流，导致散射平均自由程（mfp）的动量依赖性比玻姆扩散的mfp ~ p依赖性更强。在未磁化的激波中，这种湍流足够强，可以支配背景磁场，因此无论初始磁场的方向如何，激波都可以被视为平行的，这使得应用于伽马射线暴（GRB）、脉冲星风、Ibc型超新星和河外射电源更加直接和现实。除了改变规模的冲击前兆，我们表明，当有效的费米加速的非线性效应被考虑在内，动量依赖的mfp有一个重要的影响，宇宙射线生产的效率，以及加速粒子的光谱形状。这些效应在非相对论冲击中是不存在的，也不会出现在相对论冲击模型中，除非非线性效应被自洽地描述。我们显示，有限的例子，如何在费米加速的变化转化为质子-质子相互作用和π衰变辐射的γ射线发射的强度和光谱形状的变化。
2015-12-09 astro-ph.HE
Toward a magnetohydrodynamic theory of the stationary accretion shock: toy model of the advective-acoustic cycle in a magnetized flow
研究了磁场对平流-声学不稳定性线性相位的影响，作为研究恒星核坍缩过程中吸积激波不稳定性的磁流体动力学（MHD）理论的第一步。我们研究了一个玩具模型，其中平面静止吸积激波后面的流动被外部势绝热减速。两个磁场的几何形状被认为是：平行或垂直的冲击。熵涡波，这是简单的平流在未磁化的限制，分为五个不同的波：熵扰动平流，而涡可以通过两个阿尔芬波和两个慢磁声波沿场线传播。存在于未磁化极限的两个周期，对流声学和纯声学，被多达六个不同的MHD周期所取代。循环之间的相位差在确定总循环效率和因此的增长率方面起着重要作用。作为磁场强度的函数的生长速率的振荡是由于这种变化的相移。垂直磁场几乎不影响循环效率的制度，被认为是超阿尔文吸积。与此相反，我们发现，水平磁场强烈增加的涡度循环，弯曲的磁力线的效率，导致在一个显着增加的增长率，如果不同的周期是在相位。这些磁效应是显着的大规模模式，如果阿尔芬速度是一个相当大的分数的流速。
2010-04-02 astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic field generation in a jet-sheath plasma via the kinetic Kelvin-Helmholtz instability
本文研究了非磁化相对论性喷流与鞘层等离子体之间速度剪切产生的磁场。我们研究了由动力剪切（开尔文-亥姆霍兹）不稳定性产生的强磁场。与Alves等人（2012）使用逆流进行的先前研究相比，即使对于强横向磁场的全球演化，我们的喷鞘配置的KKHI结构也略有不同。在我们的模拟中，生长模式的主要成分是电场$E_{\rm z}$和磁场$B_{\rm y}$。在$B_{\rm y}$成分被激发之后，感应电场$E_{\rm x}$变得显著。然而，其他外地组成部分仍然很小。发现质量比为$m_{\rm i}/m_{\rm e} = 1836$和$m_{\rm i}/m_{\rm e} = 20$的KKHI的结构和生长速率相似。在我们的模拟中，在非线性阶段的饱和不像逆流情况下那么清楚。轻度相对论性喷流情形（$γ_{\rm j} = 1.5$）的增长率大于相对论性喷流情形（$γ_{\rm j} = 15$）.
2013-07-10 astro-ph.HE
Reviving the stalled shock by jittering jets in core collapse supernovae: jets from the standing accretion shock instability
我提出了一个方案，其中一个吸积流交替角动量的意义上的新诞生的中子星在核心坍缩超新星（CCSNe）有效地放大磁场，并通过发射喷气机。坍缩核对新生中子星的吸积流具有螺旋型静止吸积激波不稳定性（SASI）。这种不稳定性导致吸积气体的随机可变角动量，这反过来又形成了具有交替方向的角动量的吸积流，因此在任何给定时间交替剪切。我研究的剪切在这个交替剪切子开普勒流入发表的模拟，并提出了一个新的比较与开普勒吸积盘。从这个比较中，我认为它可能和开普勒吸积盘一样有效地通过发电机放大磁场。我认为，虽然吸积流的平均比角动量很小，即，次开普勒，这种交替剪切吸积流可以发射不同方向的射流，即，抖动射流。中微子加热是进一步激发喷流的重要因素。抖动的喷流局部地使停滞的吸积激波在瞬间的极方向上复活，并由此使恒星爆炸。我再次重申我的呼吁，从中微子驱动的CCSNe爆炸到由中微子加热辅助的射流驱动的爆炸机制的范式转变。
2019-01-23 astro-ph.HE
Ion dynamics and acceleration in relativistic shocks
采用完全相对论粒子模拟方法，对非磁化等离子体中的无碰撞激波进行了从头算数值研究。示出的冲击的主要特性，集中在粒子加速的影响。从以前的工作与一个独特的数值框架的结果恢复，包括冲击结构和整体加速度的功能。然后利用粒子跟踪技术对粒子的动力学和加速过程进行了详细的分析。我们观察到的能量增长的时间，可以再现的费米机制与减少数量的散射，其中碰撞之间的时间增加的粒子获得能量，平均加速效率是不理想的。对基本物理的深入分析对于理解高能宇宙射线的产生、对天体物理冲击动力学的影响以及随之而来的辐射发射是相关的。
2009-04-03 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
Spontaneous magnetization of collisionless plasma through the action of a shear flow
我们研究了在一个完全动力学的框架下，通过在初始未磁化的等离子体中由大尺度剪切力驱动的韦伯不稳定性产生种子磁场。我们开发了一个分析模型，描述了通过相位混合，随后的指数增长的磁场的线性韦伯阶段，其饱和时，种子磁场变得足够强，煽动粒子的回转运动，从而抑制他们的自由流动的热压各向异性的发展。饱和种子字段对关键参数（例如，系统尺度与电子趋肤深度的比率，强迫幅度）通过使用电子-正电子等离子体的3D和2D粒子模拟来确认。这项工作证明了自发磁化的无碰撞等离子体通过大尺度运动一样简单的剪切流，因此具有重要的意义，在稀天体物理系统的磁成因。
2021-10-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetization of Relativistic Current-Carrying Jets with Radial Velocity Shear
从吸积黑洞附近发射的天体物理喷流以喷流粒子和电磁通量的大量动能的形式带走了大量的能量。在这里，我们考虑一个简单的分析模型，相对论射流在较大的距离，从他们的发射场，假设一个圆柱形的轴对称几何形状的径向速度剪切，和纯环形磁场。我们认为，只要射流等离子体是在磁流体静力学平衡，这种外流往往是颗粒为主，即电磁粒子能通量的比例，集成在射流横截面积，通常低于单位，$σ< 1$。同时，对于特定的磁和径向速度分布，对于射流半径的某些范围，即局部射流等离子体参数$β_{pl} < 1$，磁压力仍然可以支配粒子压力，并且这在这样的系统中的粒子加速和高能发射的产生的背景下可能是相关的。只有在气体压力的极端梯度或不连续性以及明显抑制的速度剪切的情况下，射流磁化参数才能被提高到适度值$σ\lesssim \mathcal{O}(10)$。这样的配置，其中包括一个狭窄的，未磁化的射流脊柱周围的延伸，无力层，可能需要一个额外的极向场分量，以稳定他们对电流驱动的振荡，但即使这将不会大幅提高其$σ$参数。
2022-03-29 astro-ph.HE
Simulation of relativistic shocks and associated radiation
使用我们的新的3-D相对论电磁粒子（REMP）与MPI并行代码，我们研究了长期粒子加速与相对论电子-正电子喷流在未磁化的环境电子-正电子等离子体中传播。我们还进行了模拟与电子离子射流。为了研究电子-正电子喷流及其粒子加速机制的韦伯不稳定性的完整非线性阶段，使用比我们以前的模拟长得多的模拟系统进行模拟。冷喷流电子热化和周围的电子被加速在这两种情况下产生的冲击。环境电子的加速导致对等离子体的最大环境电子密度比原始值大三倍。在射流激波中的弓形激波后面产生强电磁场。这些场可能导致与时间相关的余辉发射。我们计算了电子在均匀平行磁场中传播的辐射，以验证该技术。我们还使用新技术来计算电子发射的基础上模拟与一个小系统的两种不同情况下的洛伦兹因子（15和100）。我们得到的光谱是一致的，从电子在湍流磁场与红噪声传播。这种湍流磁场类似于在韦伯不稳定性的早期非线性阶段产生的磁场。
2009-12-08 astro-ph.HE
Radiation from relativistic shocks with turbulent magnetic fields
使用我们的新的3-D相对论电磁粒子（REMP）与MPI并行代码，我们研究了长期粒子加速与相对论电子-正电子喷流在未磁化的环境电子-正电子等离子体中传播。为了研究韦伯不稳定性及其粒子加速机制的完整非线性阶段，使用比我们以前的模拟长得多的模拟系统进行模拟。冷喷流电子被热化，周围的电子在由此产生的冲击中被加速。环境电子的加速导致最大环境电子密度比原始值大三倍。在射流激波中的弓形激波后面产生强电磁场。这些场可能导致与时间相关的余辉发射。我们计算了电子在均匀平行磁场中传播的辐射，以验证该技术。我们还使用新技术来计算电子的发射，基于一个小系统的模拟。我们得到的光谱是一致的，从电子在湍流磁场与红噪声传播。这种湍流磁场类似于在韦伯不稳定性的早期非线性阶段产生的磁场。在一个较大的系统中，一个充分发展的激波会产生一个抖动/同步加速器光谱。
2011-01-24 astro-ph.HE
Radiation from relativistic jets in turbulent magnetic fields
使用我们的新的3-D相对论电磁粒子（REMP）与MPI并行代码，我们研究了长期粒子加速与相对论电子-正电子喷流在未磁化的环境电子-正电子等离子体中传播。模拟已经进行了使用一个更长的模拟系统比我们以前的模拟，以调查完整的非线性阶段的韦伯不稳定性和粒子加速机制。冷喷流电子被热化，周围的电子在由此产生的冲击中被加速。环境电子的加速导致最大环境电子密度比原始值大三倍。在射流激波中的弓形激波后面产生强电磁场。这些场可能导致余辉发射。我们计算了两个电子在均匀平行磁场中运动时的能谱随时间的演化，以验证这种方法。
2009-01-26 astro-ph.HE
The Role of Superluminal Electromagnetic Waves in Pulsar Wind Termination Shocks
采用一维相对论双流体模拟方法，研究了坡印廷通量主导的相对论流动中驻波激波阵面的动力学行为。上游流包含一个圆偏振，正弦磁剪切波被认为是模仿波驱动的倾斜旋转脉冲星。当波的激波帧频超过等离子体固有频率时，波与激波相互作用，转换成具有超光速相速的大振幅电磁波。超光速波在上游传播，大大改变了激波结构，并在亚激波前形成了一个发育良好的前兆区。坡印廷通量的耗散发生在前体以及在下游区域通过参数不稳定性驱动的超光速波。下游区域中剩余的坡印廷通量完全由超光速波携带。因此，下游的等离子体基本上是未磁化的，相对论性的热等离子体，具有非相对论性的流速，正如脉冲星风星云的观测所表明的那样。
2013-05-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Gamma-Ray Burst without Baryonic and Magnetic Load?
我们表明，与普遍的看法相反，内部冲击可以出现在加速辐射为主的射流，如果它被限制在一个收敛的开口角，甚至弱，因为加速度下降。辐射主导的内部冲击（RDIS）通过类费米光子加速实现非常有效但高度非热的发射，使电子-正电子（$e^{\pm}$）对光球和惯性保持在>1000的高洛伦兹因子。在伽马射线暴（GRB）中，由于伴随着爆发喷流的快速茧状物质，在祖星或周围物质之外会持续存在弱约束。最简单的模型预测了几个高能宇宙射线和中微子，以及早期余辉和GeV-TeV瞬发辐射之间的相关性。中央引擎允许比以前想象的更少的微调重子负载，甚至包括纯轻子非磁化流出。
2011-09-14 astro-ph.HE
Structure of Cosmic Ray-modified Perpendicular Shocks
宇宙射线在垂直冲击波前的动力学扩散导致电荷非中性，这主要但不完全地被体等离子体通过极化漂移电流屏蔽。流体动力学剪切不稳定性以及极化电流的修正布尼曼不稳定性产生费米型加速所需的湍流。因此，类似于平行激波的情况，在垂直激波中，扩散的宇宙射线产生不稳定的等离子体电流，这些电流反过来激发湍流。这使得冲击波-宇宙射线系统的自洽演化成为可能。在修正的布尼曼不稳定性的动力学机制中，电子可能在宇宙线前体中被加热。
2009-12-09 astro-ph.HE
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
Interaction of Strong Electromagnetic Waves with Unmagnetized Pair Plasmas
Stanford University（斯坦福大学）；Kavli Institute for Particle Astrophysics & Cosmology（卡弗里粒子天体物理与宇宙学研究所）；Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）；INFN – Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所-格兰萨索国家实验室）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（计算天体物理学中心，富尔顿研究所）；Graduate School of System Informatics, Kobe University（神户大学系统信息学研究科）；Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所）；Centre for mathematical Plasma Astrophysics, Department of Mathematics, KU Leuven（鲁汶大学数学系数学等离子体天体物理学中心）；Department of Astrophysical Sciences, Princeton University（普林斯顿大学天体物理科学系）
研究强电磁波与无磁化对等离子体的相互作用，发现由非线性参数ε_p决定，当ε_p<1时感应康普顿散射导致脉冲轮廓变窄，当ε_p>1时电磁脉冲驱动相对论性激波。
2026-06-16 astro-ph.HE physics.class-ph physics.optics
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
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
A Simulation Study of Ultra-relativistic Jets -- II. Structures and Dynamics of FR-II Jets
我们通过三维相对论流体动力学（RHD）模拟研究了注入团内介质（ICM）的超相对论喷流的结构和相关的流动动力学，如冲击，速度剪切和湍流。为此，我们开发了一个高阶精度的RHD代码，配备了加权基本无振荡（WENO）方案和现实的状态方程（Seo等人，2021，论文I）。使用该代码，我们探索了一组喷流模型与相关的参数FR-II射电星系。我们确认，整体射流形态主要由射流功率决定，射流与背景的密度和压力比起次要作用。具有较高功率的射流传播得更快，导致更细长的结构，而具有较低功率的射流产生更多延伸的茧。射流中的剪切界面是动态不稳定的，因此，发展出具有激波和湍流的混沌结构。我们发现，通过冲击和湍流耗散的喷射注入的能量的分数是更大的，在不太强大的射流，虽然耗散的能量的实际量更大，在更强大的射流。在较低功率射流中，回流在能量耗散中占主导地位，这是由于宽茧充满了激波和湍流。相反，在较高功率的射流中，回流和射流脊流对于能量耗散都是重要的。我们的研究结果表明，不同的机制，如扩散激波加速，剪切加速，和随机湍流加速，可能参与了超高能宇宙射线在FR-II射电星系的产生。
2021-07-29 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
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
On electromagnetic instabilities at ultra-relativistic shock waves
本文讨论了相对论激波前兆通过微观不稳定性产生磁场的问题。上游等离子体的磁化水平是一个关键参数，特别是因为冲击前兆的长度尺度受到背景磁场中加速粒子的拉莫尔旋转和冲击波速度的限制。本文详细讨论和计算了由加速粒子和反射粒子布居所引起的下列束等离子体不稳定性的增长率：对于非磁化激波，韦伯不稳定性和折射不稳定性，以及切伦科夫共振纵模和斜模;对于磁化激波，具有纵向静电模的韦伯不稳定性和共振切伦科夫不稳定性，以及阿尔芬不稳定性，耳语和非凡模式。所有这些不稳定性都是在上游产生的，然后它们被传递到下游。由切伦科夫共振不稳定性激发的模式对于下游介质的磁化具有特别重要的意义，因为作为等离子体本征模式，它们具有比韦伯模式更长的寿命。我们讨论的主要限制波的增长与长度的前体和上游介质的磁化倾斜和平行的冲击波。我们还刻画了获得费米加速的适当条件。我们恢复了最近的粒子模拟的一些结果，并得出结论与天体物理的情况下，特别是脉冲星风和伽马射线暴外部冲击波的一些应用。（节录）
2009-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Origin of intense electron heating in relativistic blast waves
伽马射线暴余辉发射的模拟证明了在非磁化电子-离子等离子体中传播的韦伯介导的相对论无碰撞冲击波的前体中的强电子加热。在这封信中，我们提出了一个理论模型，它描述了电子加热通过一个类似焦耳的过程所造成的俯仰角散射在减速，自感微湍流和相干电荷分离场引起的电子和离子之间的惯性差异。这种电场在电子-离子冲击前体中的出现被大规模粒子模拟（PIC）所证实。使用Monte Carlo-Poisson方法集成模型，我们将主要观测值与PIC模拟进行比较，得出结论，上述机制确实可以解释大部分电子加热。
2022-04-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Perpendicular relativistic shocks in magnetized pair plasma
利用二维Particle-in-Cell模拟方法研究了磁化对等离子体中的垂直相对论（$γ_0=10$）激波。一个系统的调查，从非磁化到强磁化的冲击，准确地捕捉从韦贝尔介导的磁反射形冲击的过渡。发现这种转变发生在上游流动磁化$10^{-3}<σ<10^{-2}$，在该磁化强度下，在前体中观察到强的垂直净电流，从而驱动所谓的电流不稳定性。讨论了该激波的全球结构和激波形成时间。除了$10^{-4} < σ< 10^{-2}$的计算结果与数值计算结果有10%的偏差外，MHD激波跳跃条件与数值计算结果符合得很好。粒子前体长度在中间磁化下朝向注入上游磁场中的粒子的拉莫尔半径收敛。对于$σ>10^{-2}$，它让位于一个纯粹的电磁前兆，这是由激波阵面处的电磁波的强发射引起的。粒子加速被发现是有效的弱磁化垂直冲击与以前的工作，并完全抑制$σ> 10^{-2}$。只有在弱磁化冲击中才能观察到扩散冲击加速度，而在中等磁化强度下则证明了冲击漂移加速度的主要贡献。从模拟中提取的空间扩散系数，允许更深入地了解自洽粒子运动学和尺度与弱磁化冲击中的粒子能量的平方。这些结果对活动星系核喷流内部激波和脉冲星风星云终止激波中的粒子加速有影响。
2018-04-24 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Mach Number Dependence of Ion-scale Kinetic Instability at Collisionless Perpendicular Shock: Condition for Weibel-dominated Shock
本文采用线性理论和非线性粒子模拟方法研究了无碰撞激波下离子尺度动力学等离子体不稳定性。我们专注于阿尔文离子回旋（AIC），镜子，和韦伯不稳定性，这都是驱动不稳定的有效温度各向异性诱导的冲击反射离子在过渡层内的严格垂直冲击。我们进行线性色散分析与均匀等离子体模型来模拟激波过渡层，采用环形分布与有限的热扩散来代表反射离子的速度分布。我们发现，对于平行于环境磁场的波传播，在较低的阿尔文马赫数的AIC不稳定性倾向于过渡到韦伯不稳定性在较高的阿尔文马赫数。然而，不稳定性也强烈地受到声马赫数的影响。我们的结论是，在阿尔文和声音马赫数都超过$\sim 20{\rm -}40$的强激波的不稳定性可以被认为是韦伯的意义上，反射离子的行为基本上未磁化。二维PIC模拟证实了线性理论，并发现，与典型的年轻超新星遗迹冲击参数，环分布模型产生的背景磁场，这是小于以前的PIC模拟中观察到的韦伯为主的冲击的顺序的磁波动。这表明，回旋反射离子分布的假设可能不足以定量预测高马赫数冲击的动力学的非线性行为。
2021-07-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Full particle-in-cell simulation of the interaction between two plasmas for laboratory experiments on the generation of magnetized collisionless shocks with high-power lasers
采用一维粒子模拟方法，对强激光产生磁化无碰撞激波的实验室实验进行了初步的数值实验。本文研究了运动的铝等离子体和静止的氮等离子体之间的相互作用。在数值实验中，氮等离子体是未磁化的或被一个弱的外部磁场磁化。由于先前的研究表明由于Biermann电池在活塞（铝）等离子体中产生自发磁场，因此磁场的效果是令人感兴趣的。当两个等离子体中的一个被磁化时，在两个等离子体之间的界面附近观察到电子密度和磁场的急剧跳跃，这表明切向电子-磁流体动力学间断的形成。当铝等离子体被磁化时，氮离子在铝等离子体区回旋时，铝等离子体的密度和磁场都发生了强烈的压缩。激波下游的形成由激波跳跃条件指示。结果表明，活塞（铝）等离子体中的自发磁场在垂直无碰撞激波的形成中起着至关重要的作用。
2019-02-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ultra-long simulations of collisionless relativistic shocks in front-comoving frame: evidence for a steady state and its properties
Institute of Applied Physics（应用物理研究所）
该研究通过长时间二维三分量粒子模拟，在特定坐标系下研究无磁化相对论性电子 - 正电子对激波，发现激波接近稳态，下游稳态取决于上游温度，费米型加速能量受限，下游磁场有类孤子结构。
2026-11-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of relativistic collisionless shocks: II Dynamics of the background plasma
在这系列的第二篇论文中，我们讨论了等离子体进入未磁化的相对论无碰撞对激波的前体的动力学。我们讨论了这个背景等离子体是如何减速和加热，通过其与微湍流的相互作用，结果从增长的电流不稳定性（CFI）的冲击前兆。我们特别利用了参考系$\mathcal R_{\rm w}$，其中湍流主要是磁性的。这个框架以相对论速度向静止的激波前沿移动，从远到近的前体逐渐减速。在第一部分中，我们构建了一个流体模型，推导出预期的超热粒子的散射离开微湍流的背景等离子体的减速规律。这一法律导致背景等离子体洛伦兹因子$γ_{\rm p}$和规范化的光束压力之间的关系$γ_{\rm p}\,\sim\,ξ_{\rm b}^{-1/2}$ $ξ_{\rm b}$，它被发现很好地匹配在大规模的2D 3V粒子模拟中观察到的空间分布。在第二部分中，我们在动力学水平上模拟背景等离子体的动力学，将与$\mathcal R_{\rm w}$减速相关的惯性效应纳入到一个Vlasov-Fokker-Planck方程的俯仰角扩散。我们展示了如何在$\mathcal R_{\rm w}$的有效重力驱动背景等离子体粒子通过摩擦的微湍流，导致有效的等离子体加热。最后，我们比较了蒙特卡罗模拟我们的模型与专用的PIC模拟，并得出结论，它可以令人满意地再现的加热和减速的背景等离子体的冲击前兆，从而提供了一个成功的一维描述的冲击过渡在微观水平。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron acceleration at pulsar wind termination shocks
我们研究了脉冲星风星云（PWNe）中电子和正电子在电磁修正的超相对论激波中的加速。我们模拟了由一个倾斜旋转的脉冲星在其终止激波附近产生的外流与双流体代码，使用磁剪切波来模仿风的属性。我们整合电子轨迹的测试粒子的限制，在所产生的背景电磁场分析注入机制。我们发现，冲击波前兆结构激发和反射了相当大一部分粒子，这些粒子可用于进一步加速。我们用蒙特卡罗程序研究了小尺度磁涨落维持的一阶费米过程。我们发现，在两个不同的制度进行的加速：当陀螺半径$r_{\textrm{g}}$超过波长的剪切$λ$，该过程是非常相似的相对论，平行冲击的一阶费米加速。这种状态对应于允许超光速波传播的低密度风。当$r_{\textrm{g}}<λ$时，其对应于驱动重连的场景，频谱更柔和。
2016-12-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stability and convergence of nuclear detonations in white dwarf collisions
本文研究了白矮星碰撞中热核爆轰的数值稳定性，设计了适应正面碰撞几何的网格策略，发现5 km以上分辨率可使能量和铁族产物不确定性低于10%，结论适用于多种成分和磁场条件。
2025-01-27 astro-ph.HE astro-ph.SR
Observation of magnetic field generation via the Weibel instability in interpenetrating plasma flows
等离子体流中的强磁场可以产生无碰撞冲击，因此在许多天体物理系统中很常见。韦伯不稳定性是产生足够强的场以产生无碰撞激波的一种候选机制。尽管韦伯不稳定性在天体物理系统中扮演着重要的角色，但在实验中观测韦伯不稳定性产生的磁场一直是一个挑战。使用质子探针直接成像电磁场，我们提出的证据，韦伯产生的磁场，生长在相反的，最初未磁化的等离子体流从激光驱动的实验室实验。三维粒子模拟表明，不稳定性有效地从等离子体流中提取能量，并且自生的磁能达到系统总能量的百分之几。这一结果表明，该实验平台适合于调查广泛的天体物理现象，包括超新星遗迹中无碰撞激波的形成、大规模磁场放大和伽马射线暴的辐射特征。
2015-03-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Extreme ion acceleration at extragalactic jet termination shocks
本研究通过考虑全局横向结构的大型二维particle-in-cell模拟，发现河外星系喷流终止激波处的速度剪切能将粒子加速至约束极限，表明其可能产生超高能宇宙射线。
2023-05-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A global model of particle acceleration at pulsar wind termination shocks
脉冲星风星云是有效的粒子加速器，但其工作过程仍然难以捉摸。自生的微湍流在相对论磁化冲击中太弱，无法在很宽的能量范围内加速粒子，这表明星云的全球动力学可能参与了加速过程。在这项工作中，我们研究了冲击动力学的横向磁场剖面的大尺度各向异性所发挥的作用。我们进行了大范围的上游等离子体磁化的二维粒子模拟。大规模的速度剪切和电流片形成在赤道地区和两极，在那里他们通过开尔文-亥姆霍兹涡和扭结驱动强等离子体湍流。在下游流动的电流片的混合导致有效的非热粒子加速。幂律谱随着磁化强度的增加而变硬，类似于在相对论重联和动力学湍流研究中发现的那些。频谱的高端由在尾流上冲浪的颗粒组成，尾流是由在激波前沿形成的细长的矛头形空腔产生的，并穿透上游流。这些粒子通过玻姆极限附近的剪切流加速机制被有效地加速。磁化相对论激波是非常有效的粒子加速器。捕捉下游流的全球动态对理解它们至关重要，因此局部平面平行研究可能不适合脉冲星风星云和其他天体物理相对论磁化冲击。这种冲击的自然结果是在冲击波前腔产生的光谱高端的可变和多普勒增强的同步辐射，让人想起神秘的蟹状星云伽马射线耀斑。
2020-08-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
