The Acceleration of Ions in Solar Flares During Magnetic Reconnection
太阳耀斑离子在磁重联过程中的加速是通过自洽地跟随质子和$α$粒子的运动的粒子模拟来探索的。我们证明了主导离子加热过程中的引导场（垂直于重联平面的磁分量）的结果从拾取行为在进入重联排气。与反平行重联相反，温度增量主要横向于局部磁场，而不是平行于局部磁场。质子和α的比较揭示了拾取行为中的质荷比（$M/Q$）阈值，该阈值有利于加热高$M/Q$离子而不是质子，这与脉冲耀斑观测结果一致。
2011-10-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Two-stage electron acceleration by 3D collisionless guide field magnetic reconnection
我们报道了一个新发现的在非相对论区域典型的三维无碰撞导场磁重联的X线附近电子加速的两阶段机制，例如，恒星日冕的研究我们发现电子在重联的线性增长过程中首先被预加速后，在三维导场磁重联的非线性阶段中被进一步加速。这种额外的加速度是由于由流动不稳定性引起的电场和磁场的叠加。除了增强的平行电场，双折射导致额外的曲率驱动的电子加速在引导场方向。其结果是，部分加速的电子光谱变成幂律，在X线附近的光谱指数为$\sim-1.6$。由于非线性重联引起的加速的第二阶段与高能电子的产生有关，例如，恒星日冕的薄电流片
2018-09-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Acceleration and Expansion of a Coronal Mass Ejection in the High Corona: Role of Magnetic Reconnection
磁重联在早期加速日冕物质抛射（CME）中的重要作用已被广泛讨论。然而，由于日冕物质抛射的膨胀速度可能与它们在日冕中的传播速度相当，因此尚不清楚重联是否以及如何分别对真正的加速和膨胀做出贡献。为了解决这个问题，我们分析了2013年2月27日一个中等速度的日冕物质抛射的动力学，它与其锋面进入高日冕的持续加速有关，尽管它的速度已经达到了700 km~s $\sim$，并且大于太阳风的速度。CME的视加速是由于CME在径向上的膨胀。CME真实加速度，即，它的中心的加速度，然后通过考虑由作用在快速CME上的太阳风拖曳力引起的预期减速来估计。发现真实加速度和径向膨胀具有相似的大小。我们发现，磁重联发生在CME爆发之后，并在CME的传播过程中在高冕区持续存在，它对CME的动力学演化有贡献。与膨胀有关的视加速度和补偿阻力的真实加速度之间的比较表明，在这种情况下，磁重联对CME膨胀和CME加速度的贡献几乎相等。这些测量的CME的演变，因为它们从日冕到日光层过境的后果进行了讨论。
2022-06-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of a Velocity Shear on Double Current Sheet Systems: Explosive Reconnection and Particle Acceleration
在二维电阻性磁流体动力学（MHD）框架下研究了平行速度剪切对双电流片系统爆炸相的影响。我们进一步探讨了这种剪切对试验粒子加速度的影响。双电流片的一般演化模式是类似的所有亚Alfvénic剪切相对于初始的瞬态阶段，等离子体团不稳定性的发病和最终的弛豫阶段。我们发现，理论缩放的重联率与剪切举行，如果率测量时，岛屿有一个类似的大小。较大的岛宽度，较低的剪切大大提高了重联率在爆炸阶段。我们进一步研究了在剪切作用下加速粒子能谱的变化。我们的研究结果还表明，流只修改了粒子谱的高能尾，对幂律指数的影响可以忽略不计。单个粒子的轨迹有助于探索与加速度相关的各种机制。基于粒子的位置，加速机制被发现是不同的。我们强调的重要性，对流电场的流入以及流出区域内的大磁岛在粒子的加速。粒子与大尺度初级磁岛内部的重联排气的相互作用和反射对粒子的重联有显著的影响。
2021-07-29 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
Particle acceleration in kinetic simulations of non-relativistic magnetic reconnection with different ion-electron mass ratio
利用完全动力学粒子模拟方法，研究了质子与电子质量比$m_i/m_e$对磁重联能谱和加速机制的影响.虽然动力学模拟是必不可少的研究粒子加速过程中磁重联，减少$m_i/m_e$经常被用来减轻苛刻的计算资源，这会导致人为的电子和质子尺度之间的尺度分离。最近的动力学模拟与高质量比建议新的制度的重联，电子压力各向异性发展的排气区，并支持扩展的电流层。在这项工作中，我们研究是否不同的$m_i/m_e$改变粒子加速过程进行了一系列的模拟与不同的质量比（$m_i/m_e=25-400$）和引导场强度在低$β$等离子体。我们发现，质量比并没有强烈的影响重联率，磁能转换，离子内能增益，等离子体放电过程，离子能谱，以及高能离子的加速机制。不同质量比的模拟结果对电子加速过程的影响不同，包括电子内能增益、电子能谱以及对高能电子的加速效率。我们发现，高能量电子加速变得不那么有效时，质量比变得更大，因为\textit{Fermi}类似的机制与粒子曲率漂移变得不那么有效。结果表明，当粒子曲率漂移主导高能粒子加速时，粒子动力学尺度离磁场曲率尺度（$\sim d_i$）越远，加速越弱.
2019-05-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Plasma Dynamics and Nonthermal Particle Acceleration in 3D Nonrelativistic Magnetic Reconnection
该研究通过大尺度全动理学模拟探究弱、强引导场下三维磁重联的等离子体动力学与非热粒子加速，揭示了不同区域的主导动力学机制与粒子注入规律，验证了费米加速理论，对太阳物理和天体物理研究有广泛意义。
2024-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Energy Release, Plasma Dynamics, and Particle Acceleration during Relativistic Turbulent Magnetic Reconnection
在强磁化天体物理等离子体系统中，磁重联被认为是一个主要的过程，在此过程中发生爆炸性能量释放和粒子加速，导致显著的高能辐射。相对论性磁重联的动力学模型在过去几年中得到了积极的发展，支持了磁主导的假设。一个较少探讨的问题是3D动力学的后果，其中湍流结构是随着各种类型的不稳定性的发展而自然产生的。本文对正电子-电子等离子体中的相对论湍流磁重联（RTMR）进行了一系列三维、全动力学模拟，系统域远大于动力学尺度。我们的模拟从一个无力的电流片与几种不同的模式的长波长磁场扰动，驱动额外的湍流在重联区。因此，电流层破裂，重联区迅速演变成充满通量绳和电流片等相干结构的湍流层。我们发现RTMR中的等离子体动力学在许多方面与二维等离子体动力学有很大的不同。磁通绳在产生后迅速演化，并且由于二次扭结不稳定性而完全被破坏。这种湍流演化导致了磁场线的超扩散行为，如湍流重联的MHD研究中所见。同时，非热粒子加速和能量释放时间尺度可以非常快，并不强烈地依赖于湍流振幅。主要的加速机制是由运动电场支持的类费米加速过程，而非理想电场加速起次要作用。我们讨论了高能天体物理学中3D RTMR可能的观测意义。
2021-07-29 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
Particle acceleration with anomalous pitch angle scattering in 2D MHD reconnection simulations
太阳耀斑期间磁能向其它形式的转换是太阳物理学中一个悬而未决的开放性问题。人们普遍认为，磁重联在这些转换过程中起着至关重要的作用。为了实现太阳耀斑中所需的快速能量释放，在磁流体重联模拟中经常使用比斯皮策电阻率高几个数量级的异常电阻率。斯皮策电阻率是基于库仑散射，这变得可以忽略不计的高能量实现加速粒子。因此，重联事件中粒子加速的模拟通常在加速粒子与任何背景等离子体之间没有任何相互作用的情况下进行。对于由太阳耀斑内的湍流引起的异常电阻率相关的散射，情况不一定如此，因为较高的电阻率意味着较高的散射率。我们目前的测试粒子的计算结果，有和没有俯仰角散射，受到来自二维（2D）X点重联的MHD模拟领域。散射率的比例的异常电阻率的局部斯皮策电阻率，以及在固定值，被认为是。俯仰角散射，这是独立的异常电阻率，导致更高的最大能量相比，没有散射。依赖于局部异常电阻率的散射率倾向于产生较少的高能量化粒子，这是由于在分界线中的散射较弱，即使在电流片中的散射可能比与电阻率无关的散射更强。强散射也会导致在重联流出区域中离开计算箱的粒子数量增加，而不是沿着分离面，因为在没有散射的情况下。
2017-07-26 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
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
Electron acceleration by turbulent plasmoid reconnection
在太空和天体物理等离子体中，就像在行星磁层中一样，如水星，高能电子经常在电流片（CS）附近发现，这暗示了电子通过磁重联加速。不幸的是，通过重联的电子加速还没有得到很好的理解。特别是湍流等离子体团重连的加速。我们已经研究了电子加速湍流等离子体团重联，所描述的MHD模拟，通过测试粒子计算。为了避免将所有相关的湍流尺度分解到耗散尺度，采用平均场湍流模型来描述亚网格尺度（SGS）的湍流及其通过湍流电动势（EMF）的影响。平均场模型将湍流电动势描述为电流密度、涡度、磁场以及湍流能量、交叉螺旋度和剩余螺旋度的平均值的函数。我们发现，主要在湍流重联的X点周围，强烈增强的局部电动势最有效地加速了电子并导致幂律谱的形成。由湍流引起的磁场对准的电动势主导电子加速过程。缩放加速过程的参数的Hermean磁尾，电子能量高达60千电子伏，可以达到通过热等离子体的湍流等离子体团重联。
2018-06-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
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
Reconnection Studies Under Different Types of Turbulence Driving
利用三维直接数值模拟方法研究了Lazarian和Vishniac（1999）提出的弱湍流条件下的快速磁重联模型。该模型已经在Kowal等人（2009年）中成功测试，证实了重连速度$V_{rec}$对湍流注入功率$P_{inj}$和注入规模$l_{inj}$的依赖性（由约束$V_{rec} \sim P_{inj}^{1/2} l_{inj}^{3/4}$表示），并且没有观察到对欧姆电阻率的依赖性。在Kowal等人（2009）中，为了驱动湍流，我们在傅立叶空间中注入了速度波动，频率集中在$k_{inj}=1/l_{inj}$周围，如Alvelius（1999）所述。本文通过引入一种新的湍流驱动方式，对不同湍流注入机制下的快速磁重联进行了比较。新方法直接在真实空间中的随机位置注入具有指定幅度和尺度的速度或磁涡旋。给出了涡参数与湍流功率和注入尺度之间的精确关系。我们进行了模拟，以研究湍流功率和注入尺度的依赖关系与新的强迫。结果表明，在两种情况下，采用两种不同的湍流驱动方法暴露相同的标度，模型之间没有差异。这与Lazarian和Vishniac（1999）的预测一致。此外，我们进行了一系列的模型与不同的粘度$ν$。虽然Lazarian和Vishniac（1999）没有提供任何预测这种依赖性，我们报告了一个弱的关系之间的重联速度与粘度，$V_{rec}\simν^{-1/4}$。
2012-03-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electron acceleration in three-dimensional magnetic reconnection with a guide field
动力学模拟的三维无碰撞磁重联与引导场显示了显着增强的高能电子生产时，与二维系统相比。在2D系统中，电子被捕获在限制其能量增益的磁岛中，而在3D系统中，电流层的双折射导致随机磁场，使电子能够访问体积填充加速区域。最具能量的电子的主要加速器是与带电粒子从收缩场线的反射有关的费米机制。
2015-11-16 physics.plasm-ph
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
Kinetic modeling of particle acceleration in a solar null point reconnection region
本文主要研究日冕三维重联零点区的粒子加速机制。从2002年11月16日太阳和日光层天文台（SOHO）磁记录的位场外推开始，我们首先进行了磁流体动力学（MHD）模拟与SOHO观测到的水平运动的光球边界的计算框。在零点的扇形平面中建立电流后，将演化的MHD数据的一个子部分用作等离子体的动力学粒子-单元模型的初始和边界条件。我们发现亚相对论电子加速主要是由电流片中的系统电场驱动的。在模拟的耀斑前阶段，能量形式呈幂律分布的非热电子群，其幂律指数约为-1.78。这项工作提供了第一步，弥合数百毫米的顺序和动力学尺度的顺序厘米在日冕的宏观尺度之间的差距，并解释了如何实现这样的跨尺度耦合利用物理修改或（等效）修改的性质常数。这些模拟具有极高的分辨率-高达1350亿个粒子和35亿个大小为17.5公里的网格单元-为研究类似太阳环境中的粒子加速提供了新的机会。
2013-07-07 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
On the ions acceleration via collisionless magnetic reconnection in laboratory plasmas
这项工作提出了一个分析的离子流出磁重联在整个完全动力学模拟与典型的实验室等离子体值。在电流片上考虑了密度和磁场的对称初始配置。在分析了一组九个模拟的行为与减少的质量比和置换值的三个初始电子温度和磁场强度，最佳的离子加速方案进一步研究了与现实的质量比的离子动力学和能量预算。有趣的是，一系列的冲击波结构中观察到的流出，类似于最近的磁流体动力学（MHD）模拟中发现的激波不连续性。在几个距离的重联点的离子流出的分析，根据可能的实验室应用。分析表明，磁重联可用作等离子体加速的工具，其应用范围从电推进到离子热束的产生。
2016-10-28 physics.plasm-ph
Nonthermal electron and ion acceleration by magnetic reconnection in large laser-driven plasmas
磁重联是一个基本的等离子体过程，被认为在空间物理和天体物理中与爆炸现象相关的非热粒子的产生中起着关键作用。在高能量密度设施的实验开始探测在高伦德奎斯特数和大系统尺寸的重联的微观物理。我们已经进行了粒子在细胞（PIC）模拟，探索粒子加速激光驱动的重联实验相关的参数。我们研究粒子加速在大系统的尺寸，可能很快产生的最有活力的激光驱动器，如在国家点火装置。在这些条件下，我们显示了达到多等离子体制度，其中等离子体加速成为主导的可能性。我们的研究结果表明，从\textit{X}点等离子体团为主的加速与合并和收缩的等离子体团，进一步扩展的最大能量的幂律尾的粒子分布的电子。我们还发现第一次出现的系统大小依赖的非热离子加速驱动重联，在足够大的尺寸的离子的磁化允许它们被包含在磁场和通电的直接\textit{X}点加速。在可行的实验条件下，电子和离子可以达到$ε_{max,e} / k_{B} T_{e} > 100$和$ε_{max,i} / k_{B} T_{i} > 1000$的能量。利用PIC模拟与二进制蒙特卡罗库仑碰撞，我们研究碰撞等离子体团的形成和粒子加速的影响。这些结果的影响，了解重联在加速粒子在空间物理学和天体物理学中的作用进行了讨论。
2020-12-03 physics.plasm-ph
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
Particle Acceleration and Plasma Dynamics during Magnetic Reconnection in the Magnetically-dominated Regime
磁重联被认为是宇宙中许多爆炸现象的驱动力。重联过程中的能量释放和粒子加速被认为是产生高能辐射和宇宙射线的一种机制。我们进行了二维和三维的动力学模拟来研究相对论性磁重联和相关的粒子加速。模拟的重点是电子-正电子等离子体开始与磁主导的，无力的电流片（$σ\equiv B^2/(4πn_e m_e c^2) \gg 1$）。对于这个限制，我们证明了相对论重联是非常有效的粒子加速通过一阶费米过程完成的曲率漂移的粒子沿相对论流引起的电场。该机制导致硬幂律谱$f \propto (γ-1)^{-p}$的形成，并且对于足够大的$σ$和系统尺寸，该谱接近$p = 1$。最终，大部分可用的磁自由能被转换成非热粒子动能。一个分析模型来解释的关键结果，并预测形成幂律分布的一般条件。在这些制度的发展导致相对论流入和流出的速度和增强的重联率相对于非相对论制度。在三维模拟中，二次扭结和撕裂不稳定性之间的相互作用会导致强烈的磁湍流，但不会显着改变能量转换，重联率，或粒子加速。研究表明，相对论性重联点是强的非热粒子源，这可能对各种高能天体物理问题具有重要意义。
2015-04-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Effects of Multi-scale Coupling on Particle Acceleration and Energy Partition in Magnetic Reconnection
本研究通过粒子-网格模拟探讨了磁重联中多尺度耦合对粒子加速和能量分配的影响，发现次级电流片和湍流主导能量耗散，改变非热粒子分布。
2025-11-20 physics.plasm-ph
Nonlinear Acceleration Mechanism of Collisionless Magnetic Reconnection
为了理解托卡马克放电中的磁重联坍缩，研究了无碰撞等离子体中快速磁重联的机制。利用能量原理首次对电子惯性驱动下撕裂模的非线性增长进行了解析估计。在非线性制度（其中岛的宽度超过电子趋肤深度）的势能的减少被发现是陡峭的比在线性制度，导致加速的重联。这种理想流体运动释放的自由能导致不稳定的强对流，这在理论上证实了惯性驱动的碰撞坍塌模型[D. Biskamp和J.F. Drake，Phys. Rev. Lett. 73，971（1994）]。
2012-10-02 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
A computational model for exploring particle acceleration during reconnection in macro-scale systems
提出了一个新的计算模型，用于研究宏观系统中磁重联过程中高能电子的自洽产生。该方程是基于最近的发现，平行的电场是无效的驱动程序的高能粒子在重联，使动力学规模控制的发展，这样的领域可以订购的方程。由此产生的方程组成的磁流体动力学（MHD）的骨干与高能分量所表示的宏观粒子所描述的指导中心方程。最重要的是，高能分量反馈到MHD方程上，使得MHD流体和高能粒子的总能量守恒。方程正确地描述了消防水龙带不稳定性，其动力学在节流重联和控制高能粒子的光谱中起着关键作用。该模型的早期测试结果，包括阿尔芬波在压力各向异性系统中的传播和消防水龙带模式的增长，确定基本算法是稳定的，并产生可靠的物理结果，为进一步基准与粒子在细胞模型的重连做准备。
2018-12-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Proton Acceleration in Low-beta Magnetic Reconnection with Energetic Particle Feedback
本研究针对磁重联中高能粒子在磁流体尺度的反作用研究空白，提出MHD-SDE耦合方法，发现低β磁重联下高能粒子反馈会抑制压缩结构、形成更陡的幂律能谱，证实其在磁重联与粒子加速中的关键作用。
2024-11-04 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Electron acceleration and heating in collisionless magnetic reconnection
利用Harris电流片的隐式动力学模拟结果讨论了无碰撞磁重联过程中电子的加速和加热。我们考虑和比较了不同β值的等离子体中的电子动力学，并进行了模拟的物理质量比。我们分析了电子通过重联区的典型轨迹，研究了电子的速度，重点研究了离面速度，并讨论了电子沿面内和离面方向的加热。
2003-05-06 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-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
The roles of fluid compression and shear in electron energization during magnetic reconnection
空间和天体物理重联点的粒子加速是磁重联研究中尚未解决的重要问题。早期的动力学模拟已经确定了与粒子漂移运动相关的几种加速机制。在这里，我们表明，对于足够大的系统，由于粒子漂移运动的湍流过程可以被描述为流体的压缩和剪切，并且剪切湍流与高能粒子的压力各向异性成正比。通过对全动力学模拟结果的分析，我们发现在弱引导场作用下，高能粒子重联的加速主要是压缩效应，当引导场占重联分量的50%时，压缩效应和剪切效应相当.空间分布的这些扰动效应表明，重联排气，收缩岛，岛合并区是三个最重要的区域压缩和剪切加速。本研究将粒子导引中心漂移运动引起的粒子运动与高能粒子输运理论中的背景流体运动引起的粒子运动联系起来。为建立大尺度重联加速（如太阳耀斑）的粒子输运模型提供了基础。
2018-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR 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
The periodicity of three-dimensional oscillatory reconnection
本文研究三维磁零点在非周期性驱动下的振荡重联周期性，通过定制数值边界条件抑制波反射，首次观测到多周期现象，发现周期性恒定且与驱动振幅无关，为等离子体诊断提供新工具。
2025-09-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph
In situ evidence of ion acceleration between consecutive reconnection jet fronts
在许多天体物理等离子体中，由非定常重联驱动的过程可以有效地加速粒子。一个例子是在流出区域的重联射流锋。我们提出的证据，超热离子加速之间的两个连续的重联喷流前观察到的磁层多尺度任务在地球磁尾。一个向地球传播的喷流被第二个更快的喷流接近。在射流之间，热离子大多垂直于磁场，被捕获并在平行方向上逐渐加速到150 keV。观测表明，离子主要是由两个喷流前沿之间形成的收缩磁瓶中的费米机制加速的。离子加速机制在其他环境中可能是有效的，其中由可变的重联率产生的喷流前沿是常见的，并且多个喷流前沿的相互作用也可以形成湍流环境，例如在恒星和太阳爆发中。
2020-11-30 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Pair Plasma
低β磁主导区等离子体通过磁重联的重联（$β= 8 πnkT_0/B^2 \ll 1$）和/或高磁化（$σ= B^2/(4 πnmc^2) \gg 1$）在太阳耀斑、脉冲星风星云、相对论性黑洞喷流等一系列天体物理系统中具有重要意义。本文综述了这一过程动力学模拟的最新进展，并进一步讨论了由电子-正电子对组成的低$β$重联层中的等离子体动力学和粒子加速。我们还研究了不同的初始热温度对粒子能谱的影响。虽然早期的论文已经得出结论，较高的$σ$的光谱指数较小，我们的模拟表明，光谱指数接近$p=1$足够低的血浆$β$，即使$σ\sim 1$。由于在理想极限下的预测光谱指数比大多数观测结果都要困难，因此考虑可能导致更软光谱的影响（如开边界模拟）是很重要的。我们还注意到，3D重联物理和湍流的重联的影响需要在未来解决。
2016-04-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonthermal Particle Acceleration in 3D Relativistic Magnetic Reconnection in Pair Plasma
相对论性磁重联是高能天体物理等离子体中将磁场能量转化为等离子体能量的基本过程，它是脉冲星磁层和脉冲星风星云、吸积黑洞日冕和喷流以及伽马射线暴中粒子加速到超相对论能量所必需的能量的主要解释。因此，等离子体天体物理学的一个重要目标是表征重联对非热粒子加速（NTPA）的影响。重新连接供电的NTPA已被证明在广泛的物理条件下，使用大型二维（2D）动力学模拟。然而，它的鲁棒性在现实的3D重联-特别是，是否3D相对论漂移扭结不稳定性（RDKI）破坏NTPA -尚未系统地研究，虽然开拓性的3D模拟观察NTPA在孤立的情况下。在这里，我们提出了第一个全面的研究NTPA在3D相对论重联在无碰撞的电子-正电子等离子体，表征NTPA的3D效应的强度是通过在第三个维度的长度和强度的引导磁场系统地变化。我们发现，虽然RDKI显着扰动三维重联电流片，它不抑制粒子加速，即使为零引导场;完全三维重联鲁棒性和有效地产生非热幂律粒子光谱非常相似，在2D中获得的。这一发现为重联作为各种天体物理系统中高能耀斑的关键驱动机制提供了强有力的支持。我们还表明，强引导场显着抑制NTPA，减缓重联和限制可用于等离子体重联的能量，产生更陡，更短的幂律谱。
2017-07-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Studying particle acceleration from driven magnetic reconnection at the termination shock of a relativistic striped wind using particle-in-cell simulations
一颗旋转的脉冲星通过稳定地向超新星遗迹或星际介质膨胀的冲击波内部释放高能风，从而产生了周围的脉冲星风星云（PWN）。在PWN的终止激波处，坡印廷通量主导的相对论条纹风被压缩。磁重联由压缩驱动，并将磁能转化为粒子动能，并将粒子加速到高能量。我们利用粒子模拟方法研究了激波结构、能量转换和粒子加速机制。通过对粒子运动轨迹的分析，我们发现很多粒子都是通过费米机制加速的。电子和正电子的最大能量可以达到数百TeV。
2020-04-05 physics.plasm-ph
Gyro-induced acceleration of magnetic reconnection
基于二维回旋流体模型，分析了强引导场作用下无碰撞高温等离子体中磁重联的线性和非线性演化。的重连不稳定的线性增长率进行了比较，在整个频谱的线性不稳定波数的分析计算。在强不稳定区（大“π”），重连不稳定性的非线性演化经历了两个明显的加速阶段，中间被一个瞬时增长率减小的失速阶段所分隔。第一加速阶段是由离子回旋导致的靠近X点的强电场的形成引起的，而第二加速阶段是由离子和电子温度效应导致的开放的Petschek状配置的发展驱动的。此外，最大的瞬时增长率被发现显着增加超过其线性值减少扩散层。这是一个结果的事实，即峰值瞬时增长率变得弱依赖于微观等离子体参数，如果扩散区的厚度是足够小于平衡磁场尺度长度。当满足这个条件时，峰值重连率渐近于一个常数值。
2013-09-06 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Formation of Power-law Electron Energy Spectra in Three-dimensional Low-$β$ Magnetic Reconnection
虽然观察表明，幂律电子能谱是磁重联期间强能量释放的常见结果，例如，在太阳耀斑中，动力学模拟未能提供非相对论重联能谱中幂律的确切证据。通过三维大尺度全动力学模拟，研究了非相对论低$β$重联中幂律电子能谱的形成。我们发现，在整个域和局部光谱内的重联层的各个区域的整体频谱集成具有幂律的尾巴与频谱指数$p \sim 4$在3D模拟中，它持续整个非线性重联阶段，直到饱和。相比之下，2D模拟中的频谱迅速演变并迅速变软。我们表明，三维效应，如自生湍流和混乱的磁场线，使高能量电子的传输跨越重联层，并允许他们访问几个主要的加速区域。这导致了不同能量的电子的持续和几乎恒定的加速率。我们构建了一个模型，解释所观察到的幂律谱指数粒子加速和逃逸的主要加速区域，这是定义的曲率漂移加速项的阈值的基础上的动态平衡。这一结果对解释太阳耀斑中幂律能谱的形成具有重要意义。
2019-09-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Plasmoid Ejections and Loop Contractions in an Eruptive M7.7 Solar Flare: Evidence of Particle Acceleration and Heating in Magnetic Reconnection Outflows
粒子加速和等离子体加热在何处发生与磁重联的关系是太阳耀斑的一个基本问题。我们报告了2012年7月19日SDO/AIA和RHESSI观测到的M7.7耀斑的分析。等离子体团喷射和收缩尖形环形式的双向外流起源于爆发的通量绳和下面的耀斑环之间，速度通常为200-300 km/s，最高可达1050 km/s。这些外流与空间分离的双冠状X射线源与质心分离减少的能量。最高温度位于非热X射线环顶源附近，远低于推断的重联位点附近的收缩尖点的原始高度。这些观察结果表明，粒子加速和等离子体加热的主要场所是在重联流出区域，而不是重联网站本身。此外，有一个最初的上升的X射线和EUV环顶源之前，最近认识到下降，我们归因于多个过程之间的相互作用，包括向上发展的重联和向下收缩的重联环。脉冲相的开始延迟了10分钟，从下降的开始，但与向上的等离子体团，个别回路收缩，和整体的环顶下降，暗示的能量释放率和重连流出速度的密切关系的快速增加相一致。
2013-03-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration with anomalous pitch angle scattering in 3D separator reconnection
理解在太阳耀斑期间储存的磁能的释放如何有助于非热高能粒子的产生是太阳物理学中的一个重要的未决问题。磁重联在耀斑的能量释放和转换过程中起着重要的作用。研究粒子加速的一种常用方法是在重联的磁流体动力学（MHD）模拟中使用测试粒子。这些MHD模拟使用的异常电阻率比基于库仑碰撞的斯皮策电阻率大得多。导致电阻率提高的工艺也会影响测试颗粒。我们探索电阻率和粒子轨道之间的联系，建立在以前的研究使用二维MHD模拟的磁重联。本文将以前的研究扩展到三维磁重联位形，并研究其对试验粒子轨道的影响。我们进行了轨道计算，使用3D MHD模拟分离器重联。我们使用的相对论指导中心近似，包括随机俯仰角散射。详细研究了不同电阻率和俯仰角散射模型对粒子轨道轨迹、最终位置、能谱、最终俯仰角分布和轨道持续时间的影响。俯仰角散射加宽了轨道轨迹的准直光束，使轨道能够进入以前无法进入的场线;这导致最终位置扩散到以前无法进入的拓扑结构。散射轨道能量谱被发现主要是由异常电阻率的水平，与俯仰角散射模型只在孤立的情况下发挥作用。散射被发现在确定俯仰角和轨道持续时间分布中起着至关重要的作用。
2020-01-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle Acceleration and Heating by Turbulent Reconnection
太阳风中的湍流、大尺度电流片、多重电流片和冲击波导致了这样一种环境的形成，在这种环境中建立了密集的电流片网络并维持“湍流重联”。我们构建了一个2D网格，在该网格上随机选择一些网格点作为散射体（即磁云或电流片）。我们的目标是研究测试粒子如何在这个大规模的散射体集合中响应。我们研究了单个粒子的能量增益，它们的能量分布和逃逸时间分布的演化。我们已经开发了一种新的方法来估计输运系数的粒子与散射体的相互作用的动力学。用电流片代替“磁云”，我们已经证明，根据电流片内部的有效电场的强度及其统计特性，磁云过程可以更有效。利用估计的输运系数，通过求解Fokker-Planck（FP）方程，我们可以恢复出仅在随机费米过程下粒子的能量分布。我们已经表明，湍流重连体积内的粒子的演化是不是FP方程的解，因为粒子与电流片的相互作用是“异常的”，在第二阶费米过程的情况下。
2016-07-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Exploring the acceleration mechanisms for particle injection and power-law formation during trans-relativistic magnetic reconnection
在相对论和反相对论区域中的磁重联能够将粒子加速到硬幂律能谱$f \propto γ^{-p}$（接近$p=1$）。决定光谱形状的潜在加速机制是目前研究的热点。利用全动力学等离子体模拟方法，研究了质子-电子等离子体跨相对论区域中磁重联过程中粒子的加速。虽然在这个参数制度的早期工作集中在平行于当地磁场的电场对粒子注入的影响（从热能到能量下限的幂律谱），在这里，我们检查的作用，平行和垂直的电场获得更完整的理解注入过程和进一步发展的幂律谱。结果表明，平行电场对粒子注入有重要贡献，且在磁重联的初始阶段更为重要。然而，随着模拟的进行，垂直电场的加速对于粒子注入变得更加重要，并且完全主导了负责高能幂律谱的加速。特别是对于较长的重联时间和较大的系统，即在更能反映天体物理来源过程的模拟中，这一点是强有力的。
2020-07-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Modelling of impurity heating during reconnections in a Reverse Field Pinch device as due to parallel electric field acceleration and chaos-induced thermalization
针对MST反向场箍缩装置中磁重联离子温度的理论解释空白，提出离子获能源于重联平行电场、热化源于混沌动力学的模型，指出三种随机性机制，验证标度律并表明代入实际等离子体参数可获定量一致。
2023-12-20 physics.plasm-ph
Electron acceleration by turbulent reconnection in solar flares
School of Astronomy and Space Science, Nanjing University（南京大学天文与空间科学学院）；Key Laboratory for Modern Astronomy and Astrophysics (Nanjing University), Ministry of Education（教育部现代天文学和天体物理学重点实验室（南京大学））；Institute of Science and Technology for Deep Space Exploration, Suzhou Campus, Nanjing University（南京大学苏州校区深空探测科学与技术研究院）；State Key Laboratory of Lunar and Planetary Sciences, Macau University of Science and Technology（澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室）
本研究通过高分辨率MHD模拟，发现太阳耀斑的湍流重联可快速加速电子至约90keV，加速由湍流驱动压缩结构实现，为高能粒子加速机制提供了新见解。
2026-09-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Guide field effects on particle acceleration in three-dimensional relativistic magnetic reconnection
National and Kapodistrian University of Athens（雅典国立卡波蒂斯坦大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（平顿研究所计算天体物理中心）；Institute of Accelerating Systems & Applications（加速系统与应用研究所）
本文通过3D和2D模拟，研究了相对论磁重联中引导场强度对粒子加速的影响，发现快速加速通道在3D中持续存在但涉及粒子比例减小，导致能谱变陡和最高洛伦兹因子降低。
2026-10-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle Injection Problem in Magnetic Reconnection and Turbulence
本文综述磁重联与湍流中非热粒子注入（预加速）机制的最新进展，强调注入决定非热粒子比例与能量分配，并展望注入模型研究与应用。
2025-06-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration and fast magnetic reconnection
数学证明，一个理想的演化磁场对非理想效应的敏感度呈指数级增长，但真正例外的演化除外。在一个仅在数学上取决于非理想性大小的时间尺度上，演化的磁场通常会达到快速磁重联的状态。快速磁重联的影响是以阿尔夫维尼克物理学（Alfvénic physics）而非电阻物理学所决定的速率进行的。这些效应中最著名的是与磁场能量向等离子体的转移和限制能量转移的磁螺旋度守恒有关。正如将要展示的那样，弱非理想性意味着在由磁性表面或刚性完美导体限定的区域中螺旋度守恒。但是，弱非理想性使得能量的快速传递变得微妙。这种转移可以通过阿尔文波的驱动和其他两个效应来理解，这两个效应甚至在理想的演化中也存在，一个是有效的平行电场$\mathcal{E}_{||}$，它可以加速粒子，尽管由于真正的平行电场$E_{||}$可以忽略不计而导致的粒子加速，另一个是系数$ν_K$，它给出了粒子沿着磁场运动的动能的指数化速率。经典的重联理论是二维的，并且排除了在三维空间中磁场稳健地存在的指数增加的灵敏度。
2019-06-27 physics.plasm-ph
The Mechanisms of Electron Acceleration During Multiple X Line Magnetic Reconnection with a Guide Field
磁岛之间的相互作用被认为在磁重联过程中对电子加速起着重要的作用。本文采用二维粒子模拟方法研究了多X线重联过程中的电子加速问题。通过与导心理论的比较，我们可以分析平行电场、费米和电子感应加速器机制在磁重联演化过程中对电子加速的贡献。结果表明，随着磁重联的进行，在模拟区域内形成了两个磁岛。电子在X线附近的平行电场和两个磁岛收缩产生的费米机制的作用下被加速。然后两个磁岛开始合并为一个，在这个过程中，电子可以通过平行电场和电子感应加速器机制加速。在电子感应加速器加速过程中，电子在磁场被来自X线的高速流堆积的区域中被局部加速。最后，当两个岛合并成一个大岛时，由于大岛的收缩，电子可以进一步被费米机制加速。随着引导场的增加，费米和感应加速器机制对电子加速的贡献越来越小。当导场足够大时，费米和感应加速器机制的贡献几乎可以忽略。
2016-02-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
