A Hierarchical Framework for explaining the Cosmic Ray Spectrum using Diffusive Shock Acceleration
本文提出一个分层扩散激波加速框架，用超新星遗迹、银河风终止激波和星系际吸积激波逐级加速解释从GeV到百EeV的整个宇宙线能谱，并给出关于成分和观测效应的预言。
2023-09-17 astro-ph.HE
Indication of nearby source signatures of cosmic rays from energy spectra and anisotropies
银河系宇宙射线（GCR）的起源在发现一个多世纪后仍然是一个谜。带电粒子在湍流的银河系磁场中的扩散传播使我们无法追溯到它们的加速点。然而，附近的GCR源可能会在本地测量的能量谱和到达方向的各向异性上留下印记。在这项工作中，我们提出了一个简单而自然的描述GCR的生产和传播，在一个两区盘晕扩散的情况下，与附近的源，了解最新的精确测量的能谱和各向异性的GCR。我们发现，在CREAM测量的质子和氦核的能谱以及各种实验检测到的大尺度各向异性中，都出现了一个共同的能量标度$\sim100$ TeV。这些结果表明，一个或多个本地源是非常有可能的重要贡献者GCR低于$100$ TeV。该研究为通过光谱和各向异性测量的联合努力来识别GCR源提供了一种探索。
2019-10-20 astro-ph.HE
Cosmic Ray Small Scale Anisotropies and Local Turbulent Magnetic Fields
在过去的十年中，宇宙线各向异性在很宽的能量范围内和不同的角尺度上被各种实验观测到。然而，迄今尚未提出全面或令人满意的解释。宇宙射线到达地球的分布是其源的分布和粒子传播所通过的磁场的几何形状和性质的影响的卷积。一般认为，在最大角尺度上的各向异性拓扑结构是通过在结构化星际磁场中的扩散而形成的。相反，中等和小尺度的角结构可能是宇宙射线在扰动磁场中的非扩散传播的影响。特别是，一个可能的解释所观察到的小尺度的各向异性观察到的TeV的能量尺度，可能来自粒子散射在湍流磁化等离子体的效果。通过对低$β$可压缩磁流体动力学湍流中的测试粒子轨迹进行数值积分，研究了宇宙射线沿局部湍流磁场流动时，其到达方向分布受到的扰动。我们利用刘维尔定理获得在地球上的各向异性，并提供了理论框架的应用在宇宙射线到达分布的特定情况下的定理。在这项工作中，我们讨论了在这种不均匀和湍流星际磁场的传播所产生的各向异性的影响。
2016-07-25 astro-ph.HE
Cosmic ray propagation in the interstellar magnetic fields
TeV-PeV宇宙射线（CR）在银河系中的传播可以描述为一个扩散过程。我们在这里讨论两个影响，具有重要的观测结果，不能预测的扩散近似在其通常的形式。首先，我们提出了一个解释的CR各向异性观察到在小角度尺度上的天空。我们发现，当地的磁场配置内的CR平均自由程从地球自然的结果在CR通量各向异性在小和中等尺度。第二，我们指出，TeV-PeV CR应预期在星际介质中扩散强烈的各向异性的尺度小于最大尺度的空间波动的字段，$\sim 100$ pc。这特别质疑了关于CR在源周围扩散的通常假设。
2014-11-28 astro-ph.HE
Explaining cosmic ray antimatter with secondaries from old supernova remnants
尽管在过去十年中做出了巨大的努力，但宇宙射线正电子过剩的起源仍然没有明确的确定。一种流行的候选源是脉冲星或脉冲星风星云，但它们也不能解释观测到的宇宙射线反质子的硬光谱。我们重新审视了另一种可能性，即所观察到的高能正电子是在原始宇宙射线的扩散激波加速过程中由超新星遗迹中的spectrometer二次产生的，这些射线被相同的激波进一步加速。正电子在高能量下的源谱自然比原子的源谱硬，其他副子（如反质子）的源谱也是如此。我们提出了第一个全面的调查，这个模型的完整的参数空间-源参数以及那些管理银河运输。考虑了正电子和反质子产生的截面的各种参数化，并讨论了模型参数的不确定性。我们获得了一个很好的适合最近的精密测量AMS-02的宇宙线质子，氦，正电子和反质子，以及各种初级和次级核。因此，这个模型提供了一个经济的解释光谱的所有次要物种-从一个单一的动机良好的人口来源。
2021-09-28 astro-ph.HE
Cosmic-Ray Convection-Diffusion Anisotropy
在非均匀对流条件下，由于流体惯性力和剪切力的作用，扩散粒子的分布呈现偶极和四极各向异性。这些对流相关的各向异性，不同的康普顿-Getting效应，通常与宇宙射线（CR）的能量增加，因此是CR各向异性的候选贡献者。考虑到惯性效应，可以利用CR观测数据将赤道面内局部星际介质的平均加速度上限设定为100 $ μ\text{m}/\text{s}^2 $量级。使用奥尔特常数，四极各向异性超过200 TeV可以模拟剪切效应所产生的银河系的差异旋转。
2022-09-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Diffusive propagation of cosmic rays from supernova remnants in the Galaxy. II: anisotropy
我们研究了超新星遗迹时空分布的随机性对地球观测到的宇宙射线各向异性的影响。计算了不同扩散系数D（E）在银河系中的传播。考虑了原子核的传播和扩散。在高能量下，我们假设$D(E)\sim(E/Z)^δ$，其中$δ=1/3$和$δ=0.6$是参考场景。在考虑和不考虑银河系螺旋结构的情况下，根据超新星遗迹的分布模型，模拟了银河系中超新星遗迹的大尺度分布。我们的计算使我们能够确定的贡献，各向异性导致的大规模分布的SNR在银河系和随机分布的最近的遗迹。天真的期望，各向异性振幅缩放为D（E）被证明是一个过度简化，这并不反映在预测的各向异性的任何现实分布的源。各向异性模式的波动主要是由附近的来源，使预测或解释所观察到的各向异性振幅和相位变得几乎不可能。然而，我们发现，非常弱的能量依赖性的各向异性振幅低于$10^{5}$ GeV和在更高的能量上升，可以最好地解释，如果扩散系数是$D(E)\sim E^{1/3}$。更快的扩散，例如使用$δ=0.6$，通常导致极大的各向异性幅度。螺旋结构在各向异性模式的能量依赖性中引入了有趣的趋势，其定性地反映了数据中所见的趋势。对于大值的晕大小，我们发现，各向异性成为主导的大规模的规则结构的源分布，导致确实是一个单调增加的$δ_A$与能量。
2011-12-29 astro-ph.HE
Cosmic Ray Confinement and Transport Models for Probing their Putative Sources
讨论了宇宙线禁闭和输运理论的最新进展。三个问题的解决是至关重要的理解目前的一天的意见和可能的迹象，CR起源。第一个问题涉及CR行为后，他们释放的来源，如超新星遗迹（SNR）。在这个阶段，CR被限制在源附近的自发射阿尔芬波。第二个问题是CRs通过湍流ISM的扩散传播问题。这是一个看似简单和长期解决的问题，但它仍然存在争议，并揭示了悖论。一个决议的基础上的Chapman-Enskog渐近CR输运分析，这也包括磁聚焦，建议。第三个问题是关于一个令人费解的尖锐（$\sim10^{\circ}$）各向异性的CR到达方向，可能承担的重要线索，他们之间的传输源和观察者。总体目标是提高我们对CR源逃逸的各个方面的理解，并随后通过星系传播到可以通过观测识别其源的水平。
2015-03-04 astro-ph.HE
Ultra-high energy cosmic rays from shocks in the lobes of powerful radio galaxies
超高能宇宙射线（UHECRs）的起源问题几十年来一直是一个悬而未决的问题。在这里，我们使用的流体动力学模拟和一般的物理参数相结合，以证明UHECRs原则上可以产生的扩散冲击加速（DSA）的冲击在回流的材料的射电星系叶。这些激波发生在喷流物质通过相对论终止激波之后。最近，几位作者已经证明，高度相对论冲击在加速UHECR方面是无效的。在我们提出的模型中的冲击波有一个范围的非相对论或温和的相对论冲击波速度更有利于UHECR加速，冲击波的大小在1- 10 kpc的范围内。大约10%的喷流能量通量通过$M>3$回流中的激波集中。虽然冲击速度可以足够低，使得经由DSA加速到高能量仍然是有效的，但是它们也足够高，使得Hillas能量接近$10^{19-20}$ eV，特别是对于较重的CR组合物和在流体元素通过多次冲击的情况下。我们讨论了一些更普遍的考虑加速粒子的超高能参考巨大的叶状射电星系，如半人马座A和天炉座A，一类来源，这可能是负责观察到的各向异性从UHECR天文台。
2018-10-29 astro-ph.GA astro-ph.HE
Magnetic fields in cosmic particle acceleration sources
本文综述了天体物理粒子加速器中与超新星遗迹、射电星系和星系团中的无碰撞激波有关的一些磁现象。一个特殊的特点是加速粒子可以在物体的磁场演化中起重要作用。我们讨论了一些CR驱动的，磁场放大过程，可能会操作时，扩散冲击加速（DSA）变得有效和非线性。这些过程产生的湍流磁场决定了加速粒子的最大能量，并导致观测到的源光子辐射的特定特征。同样重要的是，如果激波是一个有效的CR加速器，CR电流和压力各向异性对磁场的放大可能会影响激波前体和下游气流中的激波气体温度和压缩。强波动的磁场以上的辐射形成的长度在冲击附近的尺度上的结果在间歇性结构中观察到的同步辐射图像。冲击波前兆中的共振和非共振CR流不稳定性可以产生中尺度磁场，其尺度大小与超新星遗迹甚至超级气泡相当。这开启了一种可能性，即最早期星系中的磁场是由第一代第三星族超新星遗迹和恒星形成区的成簇超新星产生的。
2011-05-01 astro-ph.HE
Extragalactic cosmic rays diffusing from two populations of sources
我们认为，解释所观察到的光谱和组成的宇宙射线与能量以上$10^{17}$ eV的两个不同的河外人口的源在存在的湍流星系际磁场（包括也衰落银河宇宙射线组件）的可能性。布居被认为是具有刚性依赖谱的不同核素的叠加。第一个河外星族在$10^{17}$至$10^{18}$ eV的能量范围内占主导地位，由具有相对较大密度（$> 10^{-3}$ Mpc $^{-3}$）和陡峭光谱的源组成。第二个河外族群在几个EeV以上的宇宙线通量占主导地位，它有一个更硬的光谱斜率，并在几个$Z$ EeV（其中$eZ$是相关的宇宙线电荷）处有一个高能截止。这个群体具有较低的源密度（$<10^{-4}$ Mpc $^{-3}$），因此典型的源间分离大于几十Mpc，受到磁视界效应的显著影响，该磁视界效应强烈抑制能量低于$\sim Z$ EeV的通量。我们将讨论如何这种情况下可以调和的宇宙射线源光谱指数，预计将导致从扩散冲击加速机制的值。
2020-05-24 astro-ph.HE
GeV-TeV cosmic-ray spectral anomaly as due to re-acceleration by weak shocks in the Galaxy
最近的宇宙射线测量发现宇宙射线能谱在GeV-TeV能量处存在异常。虽然异常的起源还不清楚，但建议的解释包括宇宙射线源光谱的影响，传播效应和附近源的影响。本文认为，这种光谱异常可能是银河系中弱激波对宇宙射线的再加速效应。宇宙射线在被强烈的超新星残余激波加速后，在银河系中进行扩散传播。在传播过程中，宇宙射线可能会再次遇到膨胀的超新星遗迹冲击波，并被重新加速。由于老超新星遗迹的体积较大，遇到老超新星遗迹的可能性预计会比年轻的超新星遗迹大，预计再加速主要是由于较弱的冲击。由于较弱的冲击产生较软的粒子谱，因此产生的再加速分量将具有比强冲击产生的初始宇宙射线源谱更陡的谱。对于一组合理的模型参数，它示出，这种再加速组件可以占主导地位的GeV的能量区域，而非再加速组件占主导地位，在更高的能量，解释所观察到的GeV-TeV的光谱异常。
2014-04-14 astro-ph.HE
A Magnetohydrodynamic Model of The M87 Jet. II. Self-consistent Quad-shock Jet Model for Optical Relativistic Motions and Particle Acceleration
我们描述了一种新的范式，用于理解M87喷气中的相对论运动和粒子加速：磁主导的相对论流，自然产生四个相对论磁流体动力学（MHD）冲击（正向/反向快，慢模式）。我们将这个模型应用于1994 - 1998年Biretta和他的同事用{\em Hubble Space Telescope}发现的一组光学超光速和亚光速运动。该模型的概念包括喷射的{\em单一}相对论坡印亭喷流，它具有一个连贯的螺旋（极向+环向）的磁分量，在显着的耀斑点HST-1。我们能够定量再现组件的自行看到的{\em光学}观测的HST-1与相同的模型，我们以前用来描述在2005 - 2006年的射电VLBI观测类似的功能。这表明，四相对论MHD冲击模型可以普遍适用于经常出现的对超/亚光速结喷射从上游边缘的HST-1复杂的观察到从无线电到光学波长，与前/反向快模MHD冲击，然后负责观察到的移动功能。此外，我们确定了冲击压缩比，磁化程度，和磁性的固有属性，并表明它们是适合调解相对论粒子通过一阶费米过程的扩散冲击加速。我们认为，在坡印廷通量占主导地位的螺旋喷流的相对论MHD冲击可能发挥的作用，在解释观测到的发射和自行在许多活动星系核。
2014-03-14 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic-ray spectral anomaly at GeV-TeV energies as due to re-acceleration by weak shocks in the Galaxy
最近的宇宙射线测量的ATIC，CREAM和PAMELA实验发现了一个明显的硬化的能谱在TeV的能量。虽然硬化的起源还不清楚，但可能的解释包括宇宙射线源光谱的硬化，银河系中宇宙射线传播特性的变化以及附近源的影响。在这篇文章中，我们提出光谱异常可能是银河系中弱激波对宇宙射线的再加速效应。宇宙射线在被强烈的超新星残余激波加速后，在银河系中进行扩散传播。在传播过程中，宇宙射线可能会再次遇到膨胀的超新星遗迹冲击波，并被重新加速。由于老超新星遗迹的体积较大，遇到老超新星遗迹的概率预计会比年轻超新星遗迹大，预计再加速主要是由较弱的冲击产生的。由于较弱的冲击产生较软的粒子谱，因此产生的再加速分量将具有比强冲击产生的初始宇宙射线源谱更陡的谱。对于一组合理的模型参数，它示出，这种再加速组件可以占主导地位的GeV的能量区域，而非再加速组件占主导地位，在更高的能量，解释所观察到的GeV-TeV的光谱异常。
2013-08-06 astro-ph.HE
Modeling Bright Gamma-ray and Radio Emission at Fast Cloud Shocks
费米卫星上的大面积望远镜（LAT）最近的观测揭示了银河系内中年超新星遗迹（SNRs）的明亮伽马射线发射。这些残留物也拥有明亮的非热射电壳层，经常被发现与周围的气体云直接相互作用。我们通过构建一个流体动力学模型来探索这些动态演变的SNR的非热发射机制。两种情况下的粒子加速，无论是银河系宇宙射线（CR）的再加速或有效的非线性扩散冲击加速（NLDSA）的粒子注入从下游，被认为是。使用从观测中推断的参数，我们的模型与观测到的SNR W44的光谱进行了对比。对于再加速的情况下，我们预测的无线电和GeV的发射的SNR经历了一个过渡到辐射阶段的显着增强。如果足够强的磁湍流存在于分子云中，再加速的情况下，可以解释所观察到的宽带光谱特性。NLDSA方案也成功地解释了$γ$射线谱，但未能重现无线电频谱指数。高效的NLDSA还导致显著的冲击后非热压力，其限制冷却期间的压缩并防止形成突出的致密壳。两个模型之间的流体动力学行为和由此产生的光谱特征的一些其他有趣的差异进行了说明。
2015-04-21 astro-ph.HE
Ultra-high energy cosmic rays with UFA-15 source model in Bumblebee gravity theory
该研究在Bumblebee引力中采用UFA-15源模型，计算UHECR密度增强、通量抑制与到达方向各向异性，并结合PAO和Telescope Array数据检验，表明Lorentz破缺可解释关键观测特征。
2025-08-31 astro-ph.HE
Synchrotron radiation and absence of linear polarization in the colliding wind binary WR 146
几个大质量的早型双星表现出非热辐射，这被认为是来自于在风碰撞区（WCR）中被扩散激波加速（DSA）加速的粒子的同步辐射。如果强激波中的磁场是有序的，那么它平行于激波阵面的分量将被增强，由此产生的同步辐射将被极化。然而，这种极化从未被测量过。我们用卡尔G. Jansky甚大阵。没有探测到线性极化无线电发射。数据约束的分数线极化小于0.6%之间的1至8 GHz。这与高水平的湍流和磁场中的主导随机分量相兼容。在这种情况下，相对论粒子可以通过湍流磁重联（MR）产生。为了使这种情况满足所需的非热能预算，我们通过数值建模发现，WCR中的磁场的强度必须高达~150 mG。然而，如果磁场是有序的并且DSA正在进行，则内部和外部法拉第旋转的组合可以同等地解释发射的去极化。目前尚不清楚是否有可能在长周期双星如WR 146中产生高水平的湍流和强磁场，以实现有效的MR。这种情况也可能难以解释频谱中的低频截止。因此，我们倾向于这样一种情况，即粒子通过DSA加速，并且去极化是由随机与规则磁场之间的大比率以外的机制产生的。
2016-10-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
Demystifying flux eruptions: Magnetic flux transport in magnetically arrested disks
本研究针对磁阻盘（MADs）的通量爆发现象，构建了大尺度磁场输运形式体系，推导了爆发复发时标，测量了湍流电阻率与磁普朗特数，为活动星系核光变及磁场输运物理提供了新见解。
2025-10-29 astro-ph.HE
