Effective resistivity in relativistic collisionless plasmoid-mediated reconnection
本文通过PIC模拟研究相对论无碰撞等离子体团介导重联，发现非理想电场由非回旋热压力梯度驱动，并提出局域有效电阻率模型，为重联高能辐射的全局建模提供物理基础。
2025-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Critical Role of Collisionless Plasma Energization on the Structure of Relativistic Magnetic Reconnection
在磁主导的相对论重联，流入的等离子体耗尽的初始相对论压力在x线和碰撞等离子体加热内的扩散区域是不足以克服这种损失。由此产生的压降导致在x线处的塌陷，基本上是快速重连所需的扩散区域的局部化机制。这个低压区的扩展进一步解释了反平行重联的爆发性质，因为一旦打开流出排气也可以崩溃，这反复触发二次撕裂岛。然而，当存在外部引导场时，可以实现稳定的单个X线重连，因为重连磁场分量在流出处旋转出重连平面，从而提供额外的磁压力来维持打开的排气。
2019-10-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Effects of synchrotron cooling and pair production on collisionless relativistic reconnection
在相对论性磁重联中加速的非热粒子的高能辐射被认为在许多天体物理系统中是重要的，从耀变体喷流和黑洞吸积盘日冕到耀变体和磁星耀斑。在这些系统中，高能量光子（$>$ MeV）的实质密度的存在可以使双光子对产生（$γγ\to e^-e^+$）成为等离子体粒子的附加源，并且可以影响这些物体的辐射性质。我们提出了新的粒子模拟的结果，跟踪辐射的同步加速器光子和创建的对，我们研究了一个二维的重连电流片对等离子体的演变。来自电流片中加速粒子的同步辐射在上游产生热的次级对，这些次级对随后平流进入电流片，在电流片中它们被重新加速并产生更多的光子。在光学薄区域，当大部分辐射离开上游不受影响时，该过程是自我调节的，并且仅取决于背景磁场和光子的光学深度以产生对。额外的等离子体负载也会影响重联的性质。我们研究了如何流入的二次等离子体，多重数高达几百，减少了等离子体的有效磁化，抑制加速，从而降低了高能光子光谱截止。这就解释了为什么观测到的伽马射线截止与光柱处的磁场之间存在微弱的依赖关系。
2018-09-27 astro-ph.HE
Collisionless reconnection: The sub-microscale mechanism of magnetic field line interaction
磁场线是携带磁通量的一个量子$Φ_0=2π\hbar/e$的量子物体，并且具有有限半径$λ_m$。在这里，我们认为，他们拥有一个非常具体的动力学相互作用。平行的磁力线互相排斥。当被限制在一定区域时，它们形成六边形结构的二维晶格。我们估计这样一个区域的填充因子。另一方面，反平行的场线相互吸引。我们确定的物理机制是由于规范位场的作用，我们确定量子力学的两个平行和两个反平行的场线。量子电动力学真空的扭曲导致了虚偶云。我们从量子电动力学的角度计算了虚对产生率，并估算了虚对云密度、对电流和通过对云作用于场线上的洛伦兹力密度。磁力线动力学的这些性质在无碰撞重联中变得很重要，一致地解释了为什么以及如何在电子惯性尺度以下的电流片的无场中心自发地重联。
2012-02-28 astro-ph.HE physics.space-ph
Nonlinear Explosive Magnetic Reconnection in a Collisionless System
半个多世纪以来，围绕磁重联引起的快速磁能耗散的争论一直是等离子体宇宙中的一个基本话题，不仅在地球的磁层中，而且在脉冲星磁层和磁星等天体中。最近，非热粒子加速和等离子体加热过程中的重联已被广泛研究，有人认为，快速的能量耗散可以发生碰撞的“薄”电流片，其厚度的顺序的粒子回旋半径。然而，对于厚度大于粒子回旋半径的“厚”电流片，如何发生快速的能量耗散是一个有趣的谜。在这里，我们证明，使用一个高分辨率的粒子在细胞中的模拟对等离子体，爆炸性的重联可以出现的惯性电阻率的增强，由于重联磁场和电流片的收缩的曲折粒子的磁化。此外，无论电流片的初始厚度如何，非线性爆炸重联的时间尺度都是Alfvén渡越时间的几十倍。
2021-05-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-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
First order Fermi acceleration driven by magnetic reconnection
本文用箱模型研究了由磁重联驱动的一阶费米加速。它表明，至少在这个简单的模型中，加速粒子的谱指数与总压缩的关系与扩散激波加速相同，而不是像已经提出的那样，是一个普遍的$E^{-5/2}$谱。加速时间尺度的估计和一些意见的适用性的过程。
2012-02-22 astro-ph.HE
Onset of magnetic reconnection in a collisionless, high-beta plasma
在磁化的无碰撞等离子体中，组成粒子的磁矩是绝热不变量。因此，在这样的等离子体中磁场强度的增加导致垂直于场线的热压力的增加。在$β$依赖的阈值之上（其中$β$是热压力与磁压力的比率），这种压力各向异性驱动镜像不稳定性，在离子拉莫尔尺度上产生场线的强烈扭曲。这种不稳定性的影响磁重联的研究使用一个简单的分析模型的形成电流片（CS）和相关的生产压力各向异性。维持各向同性，麦克斯韦粒子分布在CS的形成和随后的变薄在无碰撞等离子体中的困难，再加上低阈值的镜子不稳定性在高$β$等离子体，意味着重连磁场的几何形状可以从根本上不同于标准的哈里斯片轮廓经常用于模拟无碰撞重连。因此，取决于CS形成的速率和初始CS厚度，撕裂模式的增长速率和波数由这种差异提高，可能会破坏镜像出没的CS之前，标准撕裂模式可以开发。一个定量的理论来说明这一过程，这可能会发现在撕裂介导的动力学磁旋转“通道”模式的中断的应用。
2019-01-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Fermi~I particle acceleration in converging flows mediated by magnetic reconnection
上下文具有不同极性的强磁场的会聚流可以通过磁重联来加速粒子。如果粒子的平均自由程比重联层的厚度长，但比整个重联结构短得多，则粒子将主要以非常低的逃逸概率与入射流相互作用。目标。我们探索，在一般情况下，也在一些特定的情况下，粒子被加速的可能性，在磁重联层的相互作用，只有与传入的流量。方法.我们的特点进行磁重联的收敛流，并推导出分析估计的粒子能量分布，加速率，并在这些流中可实现的最大能量。我们还讨论了一种情况下，根据射流占主导地位的磁场的极性变化，在这种机制可能会运作。结果如果重联层比其横向特征尺寸薄得多，并且磁场具有无序分量，则建议的加速机制起作用。同步加速器的损失可能会阻止电子进入这种加速状态。加速率应该更快，粒子的能量分布比标准扩散冲击加速更硬。在活动星系核和微类星体的喷流的最里面的区域的障碍物的相互作用可能是合适的网站粒子加速在收敛流。
2012-06-04 astro-ph.HE
Particle Acceleration by Magnetic Reconnection
观测数据需要各种各样的机制来加速在不同条件下运行的天体物理环境中的快粒子。在文献中讨论的机制包括变化的磁场在紧凑的来源，随机过程在湍流环境中，和冲击后的加速度。另一种较少探索的机制涉及磁重联位点内的粒子加速。在这一章中，我们讨论了这种机制，并表明，粒子可以有效地通过重联通过一阶费米过程中的大规模电流片（特别是在存在的本地湍流，加快重联，使加速区厚），也通过二阶费米过程中的纯MHD湍流环境。
2015-11-05 astro-ph.HE
Physics of the saturation of particle acceleration in relativistic magnetic reconnection
本文利用二维粒子模拟方法研究了不同磁化强度σ下相对论重联中粒子加速的饱和现象。我们发现，重联过程中产生的粒子能谱在γ~4σ处迅速饱和，满足硬幂律，证实了前人的工作。利用粒子追迹，我们发现X点重联电场对粒子的加速决定了粒子能谱的形状。通过分析电流片结构，我们表明饱和的物理原因是二次磁岛的自发形成，可以破坏粒子的加速。通过比较加速区的大小与分裂岛之间的典型距离，我们发现重联产生的最大洛伦兹因子为γ~ 5 σ，这与我们在粒子能谱中发现的非常接近。我们还表明，在重联的幂律谱的洛伦兹因子的动态范围是< 40。幂律的硬度加上其狭窄的动态范围意味着相对论重联能够产生在蟹状星云中观察到的硬窄带耀斑，但很难产生较软的宽带即时伽玛射线暴辐射。
2017-11-23 astro-ph.HE
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
Collisionless Magnetic Reconnection in Space Plasmas
磁重联需要打破冻结条件，冻结条件将旋转的带电粒子与抑制扩散的磁场联系在一起。在近地空间，持续的重连被认为是激发亚暴、磁暴、产生场向电流及其后果、丰富极光现象的原因。它的理论认识现在即将完成。重接发生在薄电流片中。分析概念逐渐深入到微观尺度，即电子趋肤深度或惯性长度的尺度，认识到薄的电流层优先进行自发重连。当等离子体流入迫使厚电流层变薄时，厚电流层开始重新连接。近半个世纪以来，重联的物理机制一直是个谜。最近，航天器的原位观测结合二维和三维的复杂数值模拟澄清了这一迷雾，发现重联在重联点周围的电子惯性（也称为电子扩散）区域（X线）内产生了电流层的特定结构。重联的发生归因于电子惯性和阻力辅助下的电子压力张量的伪粘性贡献，产生了复杂结构的电子电流片、电场和沿电流层延伸的电子排气。本文综述了无碰撞重联的一般背景理论和数值模拟的最新进展。在篇幅有限的简短回顾中，不可能涵盖重新连接的整个领域。呈现必然是粗略的，由我们的品味，偏好和知识决定。只有少量的观察，以支持少数选定的数值模拟。
2014-01-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Energy Partition between Ion and Electron of Collisionless Magnetic Reconnection
利用粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联过程中等离子体的加热。我们分析了等离子体温度随重联磁通管运动的时间演化，其中等离子体温度被定义为模拟坐标系/磁通管坐标系中心的速度分布函数的二阶矩，并且我们表明磁重联过程中的等离子体加热可以分为两个不同的阶段：在非绝热加热阶段，磁场线在X型扩散区重新连接;在绝热加热阶段，两个磁通管合并后，磁通管收缩。在绝热加热阶段期间，等离子体温度$T$可以近似为$TV^{γ-1}=const.$，其中$γ=5/3$是比热，并且$V$是通量管的体积。在非绝热加热阶段，我们发现离子温度增量与电子温度增量之比可用$ΔT_i/ΔT_e \approx (m_i/m_e )^{1/4}$近似，其中$m_i$和$m_e$分别为离子和电子的质量。我们还提出了一个基于磁扩散主导重联的理论模型来解释模拟结果。
2018-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The Mechanism of Electron Injection and Acceleration in Trans-Relativistic Reconnection
磁重联过程中的电子加速被认为在天体物理系统的时变高能辐射中起着关键作用。利用粒子模拟方法研究了低$β$电子-质子等离子体中的电子注入和加速机制。我们建立了密度和场结构的多样性（例如，X点和等离子体团）通过改变引导场强度并选择是否触发重连或让它自发地演变。我们表明，X点和等离子体团的数量控制电子加速的效率，与更多的X点导致更高的效率。使用在飞行中的加速诊断，我们还表明，与X点相关的非理想电场在电子加速的第一阶段起着至关重要的作用。作为进一步的诊断，我们包括两个群体的测试粒子，选择性地经验只有某些成分的电场。我们发现平行电场的面外分量决定了电子能量分布的高能尾部的硬度。这些结果进一步加深了我们对磁重联中电子加速的理解，并对黑洞吸积流的现实模型产生了影响。
2019-08-16 astro-ph.HE
Magnetic reconnection and topological trigger in physics of large solar flares
太阳耀斑可以通过多种观测方法观测和研究日冕高温强磁化等离子体中的{ \em磁重联}现象。对活动区磁场拓扑特性的分析表明，为了构造大规模爆发耀斑的模型，必须考虑{ \em拓扑触发}效应。拓扑触发器不是电阻不稳定性，其导致场配置的拓扑从重连前状态改变为重连后状态。相反，拓扑触发器是全局拓扑的快速变化，这决定了碰撞或无碰撞性质的快速重连。简要评述了与大耀斑有关的强磁场中无碰撞重联理论的研究现状和发展潜力。粒子加速被认为是在崩溃的重联所产生的磁陷阱。为了解释日冕X射线源的形成，在无碰撞近似下，同时考虑了费米加速和电子感应加速器机制。最后，重点讨论了太阳耀斑物理学中亟待解决的问题。
2009-01-29 astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle Acceleration in Turbulence and Weakly Stochastic Reconnection
快粒子在天体物理环境中通过各种过程被加速。重联点的加速度近年来引起了研究者的关注。本文分析了在不同磁重联组态的三维磁流体动力学（MHD）模拟中注入的测试粒子的能量分布演化。当考虑单个Sweet-Parker拓扑时，粒子主要通过一阶费米过程加速，如先前的工作（de Gouveia Dal Pino & Lazarian，2005）所预测的，并在Kowal，de Gouveia Dal Pino & Lazarian（2011）中进行了数值演示。当湍流包括在电流片，加速率，这取决于重联率，是非常增强。这是因为在湍流存在下的重连变得快速并且与电阻率无关（Lazarian & Vishniac，1999; Kowal等人，2009）并允许形成填充有多个同时重连的磁通量的厚体积。被困在这个体积内的带电粒子遭受几个迎面散射与收缩的磁波动，这显着增加了加速率，并在一阶费米过程的结果。为了进行比较，我们还测试了MHD湍流中的加速，在这种湍流中，粒子受到接近和后退的磁不规则性的碰撞，导致加速率降低。我们认为，在这种情况下，占主导地位的加速机制接近二阶费米过程。
2012-02-23 astro-ph.HE
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
Laboratory Study of Collisionless Magnetic Reconnection
本文综述近二十年无碰撞磁重联实验室实验及其与MMS空间观测的联系，总结扩散区结构、能量分配、动力学波和等离子体团多尺度重联等成果，并展望未来研究方向。
2023-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Stochastic Particle Acceleration in Multiple Magnetic Islands during Reconnection
提出了一种带电粒子与多个磁岛相互作用的非热粒子加速机制。原始的费米加速模型假设星际介质中随机分布的磁云以随机速度$V_c$运动，由于头-尾碰撞和头-尾碰撞的结合，使得$O(V_c/c)^2$具有二阶加速。在这封信中，我们重新考虑了原来的费米模型，在重新连接过程中引入多个磁岛而不是磁云。我们讨论了高能粒子有分布在磁岛外的趋势，它们主要与重联流出喷流相互作用。结果，加速效率变为$O(V_A/c)$的一阶，其中$V_A$和$c$分别是阿尔文速度和光速。
2012-01-04 astro-ph.HE
Relativistic Nonthermal Particle Acceleration in Two-Dimensional Collisionless Magnetic Reconnection
磁重联，特别是在相对论范围内，提供了一个有效的机制，加速相对论粒子，从而提供了一个有吸引力的物理解释，非热高能辐射从各种天体物理来源。我提出了一个简单的分析模型，阐明了负责重连驱动的相对论非热粒子加速（NTPA）在大系统，等离子体团占主导地位的制度在两个维度的关键物理过程。该模型的目的是解释的数值观测依赖性的幂律指数$p$和高能量截止$γ_c$的非热粒子能谱$f(γ)$上的环境等离子体磁化$σ$，和（$γ_c$）的系统大小$L$。在这个自相似模型中，高能粒子被面外重联电场$E_{\rm rec}$连续加速，直到它们被重联磁场磁化，并最终被捕获在足够大的等离子体团中。该模型还包括扩散费米加速粒子反弹快速移动的等离子体团。我认为，电加速和磁化之间的平衡控制的幂律指数，而捕获在等离子体团管理的截止，从而绑粒子能谱的等离子体团分布。
2020-07-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetohydrodynamic Simulations of Reconnection and Particle Acceleration: Three-Dimensional Effects
磁场可以通过称为磁重联的过程改变其拓扑结构。这一过程不仅对理解大尺度磁场的起源和演化具有重要意义，而且被视为一种可能有效的粒子加速器，主要通过一级费米过程产生宇宙射线。在这项工作中，我们研究了粒子加速的性质在重联区，并表明，平行于磁场的测试粒子插入在近非电阻磁流体动力学（MHD）域的重联不包括动力学效应，如压力各向异性，霍尔项，或异常的影响，速度分量呈指数增长。此外，垂直分量的加速度在这种模型中总是可能的。我们已经发现，在收缩的磁岛或电流片内，粒子主要通过一阶费米过程加速，如前所述，而在电流片和岛外部，粒子主要经历由于磁场梯度引起的漂移加速。考虑无导场的二维MHD模型，我们发现平行加速在某一水平停止。然而，在存在平面外引导场或三维模型的情况下，这种饱和效应被去除。因此，我们强调的重要性，引导场和完全三维的研究，一个完整的理解过程中的粒子加速在天体物理重联环境。
2011-03-15 astro-ph.HE
Ohm's Law, the Reconnection Rate, and Energy Conversion in Collisionless Magnetic Reconnection
本综述聚焦无碰撞等离子体，基于第一性原理动力学模拟与星载观测，探讨了广义欧姆定律中非理想电场打破冻结通量条件引发磁重联的机制，重联率的确定方法，以及扩散区能量转换的诊断与建模。
2024-06-02 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Fully kinetic large scale simulations of the collisionless Magnetorotational instability
本文采用二维粒子模拟方法研究了弱磁化（高$β$）对等离子体中的全动力学无碰撞磁旋转不稳定性。该数值分析的中心结果是在无碰撞MRI的饱和状态中出现自诱导湍流制度，其只能被捕获用于足够大的模拟域。这种湍流状态的发展的基本机制之一是漂移扭结不稳定性（DKI）的电流片的通道模式的非线性演化造成的。DKI的开始只能观察到模拟域大小超过几个线性MRI波长。DKI与随后的磁重联一起，在MRI的非线性演化的后期激活等离子体的湍流运动。在稳定状态下，磁能具有MHD样谱，$kρ<1$的斜率为$k^{-5/3}$，亚拉莫尔标度（$kρ>1$）的斜率为$k^{-3}$。我们还研究了无碰撞MRI和相关的磁重联在压力各向异性发展中的作用。我们研究了由于这种压力各向异性的系统的稳定性，观察在MRI的早期阶段的镜像不稳定的发展。我们进一步讨论了磁重联的重要性粒子加速在湍流制度。特别是，与重联研究一致，我们表明，在后期的动能提出了一个特征斜率的$ε^{-2}$在高能量区域。
2018-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Suppression of Collisionless Magnetic Reconnection in the High Ion $β$, Strong Guide Field Limit
本文利用动力学理论和混合粒子模拟，研究了高离子β值对引导场磁重联的影响，发现当β足够大时重联被抑制且出流速度按$v_0 \propto 1/\sqrt{β_{i}}$降低，此结论适用于嵌入热等离子体中的重联系统。
2024-08-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic magnetic reconnection in collisionless ion-electron plasmas explored with particle-in-cell simulations
磁重联是各种高能天体中磁能转换和高能非热粒子产生的主要机制，包括具有相对论性离子-电子等离子体的天体（例如，微类星体或活动星系核（AGN）-这是一个缺乏第一原理研究的领域。我们提出了相对论条件下低$β$离子电子等离子体的二维粒子模拟，即，其中流入的磁能超过等离子体静止质量能量。我们确定突出的属性：（i）相对论流入磁化（这里$10 < σ_e < 360$），重联流出占主导地位的热搅拌，而不是散装动能。(ii)在大的流入电子磁化（$σ_e > 80$），重联电场是由体积惯性比由热惯性。它挑战了热惯性范式及其含义。(iii)在扩散区的入口处，流入具有急剧的过渡。这些不是激波，而是粒子弹道运动的结果，所有的粒子都在同一位置反弹，只要入流中的热速度远小于入流E通过B的整体速度。(iv)岛状中心与其余的气流是磁性隔离的，并且可以在它们的中心呈现密度耗尽。(v)重联率略高于非相对论研究。它们最好通过在流出方向上投影的流入相对论阿尔文速度进行归一化，然后导致接近范围（0.14-0.25）的速率，从而允许容易地估计重联电场。
2014-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph 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
A mechanism that could stop the acceleration process within a collisionless shock
本文通过稳定性分析，将激波宽度与加速粒子谱及密度比关联，发现上游加速粒子比例达约30%时，无碰撞激波加速过程可能终止。
2024-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
The role of particle feedback on particle acceleration in magnetic reconnection
Xiangtan University（湘潭大学）
该研究通过2.5D MHD模拟揭示了粒子反馈在磁重联中增强粒子加速的作用，并探讨了引导场对能量分布的影响。
2025-12-30 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fermi Acceleration in Plasmoids interacting with Fast Shocks of Reconnection via Fractal Reconnection
我们提出了太阳耀斑中粒子加速模型和多次等离子体团喷射。非定常重联在电流片中产生等离子体团，并将它们驱逐到快激波中，在那里等离子体团中的粒子通过磁镜效应被反射到激波阵面的上游。当等离子体团通过激波阵面时，反射距离越来越短，驱动费米加速度，直到达到质子拉莫尔半径。等离子体团的分形分布也可能在自然地解释非热辐射的幂律谱中发挥作用。
2013-01-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fast Shocks From Magnetic Reconnection Outflows
磁重联通常被认为在太阳、恒星和天体物理盘日冕的耀斑中驱动流和粒子加速，但在给定的重联环境中不同加速机制的相对作用还没有很好地理解。我们通过直接数值模拟表明，当满足快速重连的条件且流出流遇到障碍物时，重连流出流产生弱的快速激波。相关的压缩比导致费米加速粒子谱比通常研究的强快速冲击明显陡峭，但符合太阳耀斑的要求。虽然这不是重连环境中唯一的加速机制，但它可能是一种普遍存在的机制。
2011-09-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A Model for Nonthermal Particle Acceleration in Relativistic Magnetic Reconnection
本文提出一个半解析模型，通过结合粒子注入、加速和逃逸过程，并利用动理学模拟评估模型系数，系统研究了相对论磁重联中的非热粒子加速，准确重现了幂律光谱特征并预测了天体物理系统中的幂律指数与拐折能量。
2023-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A model of acceleration of Anomalous Cosmic Rays by Reconnection in the Heliosheath
我们讨论了宇宙射线加速模型，该模型解释了旅行者1号和2号观测到的异常宇宙射线。该模型呼吁快速磁重联，而不是冲击作为加速的驱动程序。能量的最终来源与日鞘中发生的磁场反转有关。预计磁场的逆转将发生在整个日鞘，但特别是在太阳风顶附近，在那里的流动减慢和发散相对于星际风，也在边界部门在日光层电流片。虽然重联层内的一阶费米加速理论尚处于起步阶段，但现有的预测与航天器测量的异常宇宙线谱的现有数据并不矛盾。我们认为，旅行者号的数据可以是第一件的证据，有利于加速区域内的快速磁重联，我们认为这是一个广泛传播的天体物理过程。
2009-07-17 astro-ph.EP astro-ph.HE
Magnetic reconnection-driven turbulence and turbulent reconnection acceleration
该研究采用MHD-PIC方法数值模拟磁重联驱动湍流与粒子加速，揭示了自驱动湍流稳态的能量分配、重联驱动湍流的复杂性及强磁场对加速效率的提升作用，为相关天体物理研究提供新视角。
2023-06-06 astro-ph.HE hep-th 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
Physics of collisionless shocks - theory and simulation
无碰撞冲击发生在物理学的各个领域。在空间和天体物理学的背景下，它们已经被研究了几十年。然而，对冲击波的形成和粒子加速的彻底理解仍然缺失。无碰撞冲击可分为电磁冲击和静电冲击。电磁冲击主要在天体物理环境中起重要作用，它们由韦伯不稳定性或定向不稳定性介导。在这种冲击中，带电粒子通过扩散冲击加速获得能量。静电冲击的特征在于强静电场，这导致电子捕获。离子被静电势的反射加速。冲击波的形成和粒子加速将在理论和模拟中讨论。
2015-09-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulent reconnection acceleration
天体物理等离子体中普遍存在的湍流对磁重联和重联加速都很重要。研究了在重联驱动湍流作用下，三维快速湍流重联过程中粒子的加速。由于强磁场的镜面反射和会聚，粒子在重联驱动的流入之间来回反弹。通过连续的迎面碰撞，流入物的动能转化为加速粒子。湍流不仅调节流入速度，而且相对于局部湍流磁场引入各种流入湍流。由于粒子的能量增益和逃逸概率都依赖于来流速度，因此粒子能谱的谱指数并不具有普适性。我们发现它在从$\approx 2.5$到$4$的范围内，在强引导场处，即总入射磁场和引导场之间的小角度处，预期具有最陡的谱。在没有约束粒子所需的散射扩散的情况下，重联加速可以在大的来流速度和弱的引导场下非常有效。
2022-11-15 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulence, Magnetic Reconnection in Turbulent Fluids and Energetic Particle Acceleration
湍流在天体物理学中无处不在。它从根本上改变了许多天体物理现象，特别是宇宙射线的传播和加速。本文介绍了可压缩磁流体动力学（MHD）湍流的现代认识，特别是它的Alfvén、慢和快模式的分解，讨论了亚音速和超音速湍流介质的密度结构，以及其他相关的天体物理湍流机制。所有这些信息是必不可少的理解高能粒子加速，我们在审查中进一步讨论。例如，我们展示了快模式和慢模式如何通过二阶费米加速来加速高能粒子，而密度波动在冲击前区域产生磁场，使高能宇宙射线能够实现一阶费米加速。然而，非常重要的是，一阶费米宇宙线加速也可能在磁重联的网站。在湍流的存在下，这种重联变得更快，我们提出了支持Lazarian & Vishniac（1999）模型的预测的数值证据。这个过程的效率表明，磁重联可以在短时间内释放大量的能量。由于粒子追踪数值模拟表明粒子在重联过程中可以有效地加速，我们认为磁重联过程对粒子加速可能比目前公认的要重要得多。特别是，我们讨论了加速所产生的重联作为一个可能的起源的异常宇宙射线测量的旅行者，以及起源宇宙射线过剩的方向Heliotail。
2012-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Large-scale Compression Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-$β$ Plasma
在太阳耀斑和其他天体物理系统中，与磁重联相关的粒子加速问题的一个主要挑战是动力学尺度和观测到的重联尺度之间的巨大尺度分离。正因为如此，仅仅使用动力学模拟很难得出任何明确的结论。求解高能粒子输运方程的粒子加速模型可以捕获动力学模拟中发现的主要加速物理，从而提供一种实用的方法来进行可观测的预测并直接将模型结果与观测结果进行比较。在这里，我们研究磁重联中的压缩粒子加速通过求解帕克（扩散-平流）输运方程使用速度和磁场从二维高Lundquist数磁流体力学（MHD）模拟的低$β$重联层。我们发现，可压缩重联层可以给显着的粒子加速，导致幂律粒子能量分布的形成。我们分析了加速率，发现重联层中的加速是一阶和二阶费米过程的混合。当包括一个引导场，我们发现光谱变得陡峭，幂律截止能量和最大粒子能量降低等离子体变得更难压缩。该模型产生的二维粒子分布可以用来生成辐射图，并直接与太阳耀斑观测结果进行比较。这提供了一个框架来解释粒子加速在大规模天体物理重联网站，如太阳耀斑。
2018-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonthermally Dominated Electron Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Plasma
通过完全动力学模拟，我们研究了在类似于日冕和耀斑的条件下，非相对论质子-电子等离子体中磁重联过程中的电子加速。我们表明，重联导致非热占主导地位的电子加速与幂律能量分布在非相对论性低$β$制度，但不是在高$β$制度，其中$β$是等离子体的热压力和磁压力的比率。在低$β$区，加速电子包含大部分耗散的磁能。一个引导中心电流的描述是用来揭示在体非热超导过程中的电子漂移运动的作用。我们发现，主要的加速机制是一个\textit{Fermi}型加速完成的粒子曲率漂移运动沿电场诱导的重联外流。虽然不同等离子体$β$的加速机制相似，但低$β$重联驱动Alfvénic时间尺度上的快速加速，并从热分布中发展出幂律。低$β$等离子体中磁重联引起的非热主导加速可能对太阳耀斑和其他天体物理系统中的高效电子加速具有重要意义。
2015-09-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection and Associated Particle Acceleration in High-energy Astrophysics
本文综述了高能天体物理中磁重联的研究进展，涵盖磁流体与无碰撞重联动力学及粒子加速机制，并探讨了关键物理过程与前沿问题。
2024-04-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration in self-driven turbulent reconnection
本文通过高分辨率三维MHD模拟与试验粒子方法，首次证明自驱动湍流重联可使粒子在盒子尺度内能量提升约3个数量级，并形成斜率趋于-2.5的能谱。
2023-08-15 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
A Brief Review on Particle Acceleration in Multi-island Magnetic Reconnection
简要介绍了多岛磁重联中粒子加速的基本物理和理论研究及粒子模拟研究的最新进展。多岛磁重联中的粒子加速被认为是太阳耀斑和太阳风中高能粒子加速的一种可能机制。理论研究表明，如果粒子运动在重联事件中充分随机化，这种机制可以产生所观察到的高能粒子的幂律能量分布。然而，PIC模拟似乎表明，一阶费米加速机制是无法产生一个幂律粒子的能量分布函数在温和的相对论性多岛磁重联。另一方面，虽然高度相对论性重联的模拟似乎能够产生幂律能谱，但所获得的谱指数通常比通常在太阳风和太阳耀斑事件中观察到的指数为$\sim -5$的软幂律谱更硬。此外，由于三维磁重联中的动力学不稳定性而导致的等离子体加热可能使幂律粒子“热化”，使得多岛重联更难以产生幂律谱。我们讨论了可能导致这些问题的可能原因。
2019-08-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.geo-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
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
Efficiency of Nonthermal Particle Acceleration in Magnetic Reconnection
半个多世纪以来，磁重联过程中的非热粒子加速一直是太阳耀斑、脉冲星风、磁星等天体物理现象研究中的一个基本课题，其中一个尚未解决的问题是它的有效性。近年来，粒子模拟技术对非热粒子加速机制进行了广泛的研究，但如何将磁场能量分为热等离子体和非热粒子仍是一个令人感兴趣的谜。在这里，我们研究了非相对论性和相对论性磁重联使用大规模的粒子在细胞模拟的对等离子体，并指出，生产的非热粒子变得有效的等离子体温度的增加。在相对论热等离子体的情况下，我们确定，加热等离子体的重联可以近似为一个kappa分布函数的kappa指数约为3或更小（相当于2或更小的幂律指数），和重联的非能量密度约超过95%的总内能在下游排气。
2022-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Direct measurement of non-thermal electron acceleration from magnetically driven reconnection in a laboratory plasma
磁重联是一种普遍存在的天体物理过程，它将磁能迅速转化为等离子体流能、热能和非热高能粒子（包括高能电子）的某种组合。在不同的低$β$（plasma-to-magnetic pressure ratio）和无碰撞环境中，理论上提出了各种重联加速机制，包括一阶和二阶费米加速、电子感应加速、沿磁场的平行电场加速以及重联电场的直接加速。然而，迄今为止，它们都没有得到实验证实，因为在实验室实验中直接观察非热粒子加速是困难的，这是由于\textit{in-situ}测量的德拜长度短和\textit{ex-situ}测量的平均自由程短。在这里，我们报告的直接测量加速非热电子从低$β$磁驱动重联实验中使用激光供电的电容线圈平台。我们使用千焦耳雷射来驱动平行电流，以准轴对称几何形状重新连接兆高斯级磁场。测量的电子能谱和由此产生的加速能量的角度依赖性，支持粒子在细胞模拟，表明直接电场加速的平面外重联电场的机制是在工作。使用这种机制的定标能量与天体物理观测直接相关。因此，我们的研究结果验证了建议的加速机制之一的重联，并建立了一个新的方法来研究重联粒子加速与相关制度的实验室实验。
2022-01-25 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Multi-species Ion Acceleration in 3D Magnetic Reconnection with Hybrid-kinetic Simulations
本研究通过首个具备足够尺度分离的3D混合模拟，揭示磁重联中碎片化通量绳驱动的费米加速是多物种离子加速的主导机制，解释了不同荷质比离子的加速差异及幂律谱特征，与原位观测结果吻合。
2024-01-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Acceleration of Thermal Protons at Parallel Collisionless Shocks: Three-dimensional Hybrid Simulations
我们提出了三维混合模拟的碰撞冲击平行于背景磁场传播，研究加速质子，形成一个高能量的尾巴上的分布。我们专注于热质子的初始加速，并将其与一维模拟的结果进行比较。我们发现，对于一维和三维模拟，在模拟中稍后到达分布的高能尾部的粒子在冲击时获得了它们的初始能量。这证实了以前的结果，但这是第一次证明这一点，使用完全三维领域。结果与“热漏”模型不一致。我们还表明，在三维模拟中的质子的回旋中心可以漂移远离磁场线，他们开始由于删除可折叠的坐标存在于一维和二维模拟。我们的研究澄清了扩散激波加速的注入问题。
2013-07-08 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Effect of Large Scale Magnetic Turbulence on the Acceleration of Electrons by Perpendicular Collisionless Shocks
我们研究了在无碰撞冲击下电子加速的物理学，这些冲击通过包含大尺度磁波动的等离子体移动。我们数值积分的大量的电子，这被视为测试粒子移动的时间相关的电场和磁场从2-D混合模拟（动力学离子，流体电子）的轨迹。大规模的磁波动以多种方式影响电子，并导致在冲击波前沿有效和快速的电子振荡。由于电子主要沿着磁力线运动，空间中磁力线的大规模编织允许快速移动的电子多次穿过冲击波阵面，从而实现有效的加速。冲击波阵面中的各种尺度的波纹也将通过镜像电子而有助于加速。我们的计算表明，这一过程有利于电子加速在垂直冲击。本文的研究也有助于理解无碰撞冲击加速电子的注入问题。它还表明，高能电子的空间分布是类似的原位观测（例如，Bale等人，1999年; Simnett等人，2005年）。这一过程可能对我们理解行星弓形激波和行星际激波中的高能电子以及解释某些II型太阳射电爆发中的人字形结构很重要。
2010-10-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
