Dispersion and thermal effects on electromagnetic instabilities in the precursor of relativistic shocks
费米加速可以有效地发展在相对论性无碰撞冲击波提供上游（未受冲击）等离子体是弱磁化。在低磁化下，冲击前兆的大尺寸确实为电磁微不稳定性的增长提供了足够的时间，并且这种微不稳定性产生小尺度湍流，这又提供了所需的散射。本论文扩展了我们以前的分析，这些微观不稳定性的发展，占有限的角度分散束的反射和加速粒子，并占预期的加热的上游电子在冲击前兆。我们发现，只要上游等离子体的电子保持冷态，斜向双流不稳定性可以在激波洛伦兹因子gamma_{sh} ~10的范围内工作，而在此范围内，偏转不稳定性被强烈抑制;然而，当电子被加热到相对论温度时，情况变得相反，双流不稳定性被抑制，而双折射模式变得有效，即使在冲击洛伦兹因子的中等值下。这些不稳定性的峰值波长从惯性电子尺度向质子惯性尺度迁移，因为背景电子在冲击前兆的交叉过程中逐渐被加热。我们还讨论了冲击上游电流驱动的不稳定性的作用。特别是，我们表明，返回/加速粒子通过其在背景磁场中的旋转产生横向电流。我们发现，在背景等离子体中的补偿电流可以导致布尼曼不稳定性，提供了一个有效的电子加热源。[摘要]
2011-07-27 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Spatial structure of X-ray filaments in SN 1006
非线性扩散激波加速理论（NLDSA）预测了激波上游前兆的形成，在那里加速的粒子扩散并通过流动不稳定性引起磁场放大。在SN 1006东北区域（G329.6+14.6）的{ \it Chandra}观测中，X射线中没有探测到这种前体，这导致对加速电子在这种前体中扩散产生的X射线发射施加了上限，发射率水平低于下游区域发射的1.5%（Long等人，2003年）。这已被用来作为反对费米加速在这个冲击的论据。在这里，我们计算的频谱和空间分布的加速粒子在SN 1006和钱德拉的结果（包括最近的数据）是在完美的NLDSA的预测，建议有效的粒子加速和磁场放大上游的冲击的一个因素~10。
2010-03-10 astro-ph.HE
Flat Spectra of Energetic Particles in Interplanetary Shock Precursors
针对行星际激波上游粒子通量平台与线性DSA理论不符的问题，研究引入通量依赖的非线性扩散和非共振短尺度磁扰动，解释了平坦能谱的形成。
2024-01-14 astro-ph.HE
Collisionless shocks in a partially ionized medium: I. Neutral return flux and its effects on acceleration of test particles
中性原子的存在可以通过离子与中性原子之间的电荷交换以及中性原子的电离过程来强烈地改变无碰撞激波。这两个过程导致激波上游和下游的带电粒子和中性粒子之间的能量和动量交换。特别是，中性粒子在下游与冲击加热的离子进行电荷交换，产生高速中性粒子，这些中性粒子有有限的概率返回上游。然后，这些中性粒子可能通过电离和电荷交换在上游等离子体中沉积热量，从而降低流体的马赫数。这种现象的一个后果，我们称之为“中性返回通量”，是激波压缩因子的减少和上游激波前兆的形成。前体的标度长度由向上游无穷远移动的快中性粒子的电离和电荷交换相互作用长度决定。在激波在星际介质中传播的情况下，离子-中性相互作用的影响对于激波速度< 3000 km/s特别重要。这种传播速度在超新星遗迹相关的冲击波中很常见，超新星遗迹是银河系宇宙射线加速的主要候选源。然后，我们调查的中性粒子的返回通量的影响，在冲击加速的测试粒子的光谱。我们发现，对于速度小于~3000 km/s的激波，粒子能谱相对于对强激波的朴素期望值（即E^-2）明显变陡。
2012-06-19 astro-ph.HE
Persistence of precursor waves in two-dimensional relativistic shocks
利用二维粒子模拟方法研究了相对论磁化激波下同步脉塞不稳定性产生的上游相干大振幅电磁波发射效率。我们考虑了正负电子等离子体中的纯垂直激波。测量了相干波发射效率作为磁化参数σ的函数，磁化参数σ由坡印廷通量与动能通量的比率定义。波的振幅系统小于在一维模拟中观察到的。然而，它继续坚持，即使在一个相当低的磁化率，韦伯不稳定性占主导地位的冲击过渡。发射的电磁波足够强，足以干扰上游介质，并产生相当大幅度的横向磁致密度结构。在此基础上，我们讨论了相对论磁化离子-电子冲击波中产生非热电子的尾场加速模型的可能性。
2017-04-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Current-driven filamentation upstream of magnetized relativistic collisionless shocks
相对论性无碰撞激波的不稳定性物理在高能天体物理学中具有广泛的重要性，因为这些不稳定性建立了激波，控制了粒子加速过程，并产生了加速粒子辐射的磁场。两个关键参数控制着这些冲击的微观物理：环境介质的磁化和冲击波阵面的洛伦兹因子;到目前为止，这些参数空间的大部分仍有待探索。在本文中，我们报告了一种新的不稳定性上游的电子-正电子相对论冲击，我们认为，这种不稳定性形状的微观物理在中等磁化水平和/或大洛伦兹因子。这种不稳定性是由激波前兆中的加速粒子在背景磁场周围旋转时携带的电流引起的。在背景等离子体中感应的补偿电流导致不稳定的配置，带有电荷中性丝的外观携带相同极性的电流，沿着垂直电流取向。这种“电流驱动的细丝”不稳定性的增长速度比迄今为止研究的相对论冲击上游的任何其他不稳定性都要快，其增长率与等离子体频率相当。此外，电流的补偿与环境等离子体在其穿透冲击前兆时的减速相关联（如在冲击静止帧中所观察到的）。等离子体的这种减速意味着，只要磁化强度σ<~ 10^{-2}，"电流驱动的丝状体“不稳定性可以随着冲击洛伦兹因子的任何值而增长。我们认为，这种不稳定性解释了最近的粒子在细胞模拟的结果在轻度磁化制度。
2014-01-28 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Precursor Wave Amplification by Ion-Electron Coupling through Wakefield in Relativistic Shocks
利用二维粒子模拟方法研究了相对论激波中的电磁前驱波发射。我们发现，波的振幅显着增强的正反馈过程与离子-电子耦合通过高磁化的尾场。在近上游区的参数衰变不稳定性的非线性过程中，产生非热电子和离子的尾场崩溃。高能天体中可能存在强相干辐射和粒子加速现象。
2019-09-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle transport and heating in the microturbulent precursor of relativistic shocks
无碰撞相对论激波是近年来理论和数值研究的热点。粒子加速、电磁微湍流的产生和激波阵面的形成是相对论无碰撞激波的三个相互关联的基本组成部分。在本文中，我们调查在这方面的两个重要问题：（1）运输的超热粒子在激发的微湍流上游的冲击和其后果的粒子加速;（2）预热传入的背景电子，因为它们交叉的冲击前兆和经验相对论振荡的微湍流电场。我们强调的重要性，相对于背景等离子体和冲击波前的电磁扰动的运动。本文研究了相对论激波前兆中的两种主要不稳定性：平行不稳定性和斜双流不稳定性。最后，我们用我们的结果来讨论的最大加速度在外部冲击的伽马射线暴，我们发现特别是一个最大的同步辐射光子能量的几个GeV的顺序。
2012-12-06 astro-ph.HE
Ion-electron instabilities in the precursor of weakly magnetized, transrelativistic shocks
本文研究弱磁化跨相对论无碰撞激波前驱区中的离子-电子不稳定性，揭示静电预加热可突破冷重子负载限制并促进大尺度成丝模式增长。
2024-07-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The elusive synchrotron precursor of collisionless shocks
大部分的等离子体微物理学，塑造粒子在无碰撞冲击波的加速过程发生在宇宙射线的先驱，通过加速粒子与未冲击等离子体的相互作用。直接或间接地探测到这种前体中加速粒子的同步辐射，将为加速和无碰撞冲击波的微观物理学打开一扇新的窗户。我们提供了分析估计的光谱和偏振分数的同步前体的相对论和非相对论无碰撞冲击波阵面，占自我生成或放大的磁湍流。在相对论源中，前体的光谱比冲击等离子体的光谱更硬，因为上游停留时间随着粒子能量增加而增加，导致前体体积中加速粒子的有效硬光谱。在高频率下，通常在光学到X射线的范围内，前体的贡献变得相当大，但我们发现，在大多数研究情况下，它仍然主要由同步加速器或逆康普顿贡献的冲击等离子体;其贡献可能是检测到的，只有在trans-relativistic冲击波。非相对论源通过观察冲击波前沿提供了对前兆进行光谱成像的可能性。我们计算了各种参数的光谱形态贡献。同步加速器的贡献在最高频率（X射线范围）也相当大。如果湍流在激波阵面的横向平面上纠缠在一起，那么所产生的同步辐射应该是接近最大线性偏振的;偏振测量因此成为揭示这种前兆的一种有趣的工具。[摘要]
2017-02-16 astro-ph.HE
Return Currents in Collisionless Shocks
本文通过粒子网格模拟研究无碰撞激波上游返回电流的中和机制，发现远上游、前兆区和激波脚区分别由静电模式、电磁流不稳定性和双流不稳定性主导，并指出激波脚区不稳定性可使电子热速度接近反射质子漂移速度，对磁场放大和电子注入加速有重要意义。
2023-12-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Shock acceleration of electrons in the presence of synchrotron losses: I. test particle theory
本文讨论了在同步辐射能量损失的情况下，电子在非相对论冲击波中的输运方程的半解析解。我们计算了任意扩散系数的激波上游和下游任意点处的加速（测试）粒子谱，并将结果专门用于三种情况：1）动量扩散常数（$D(p)=D_{0}$），2）玻姆扩散（$D(p)\propto p$）和3）柯尔莫哥洛夫扩散（$D(p)\propto p^{1/3}$）。特别重要的是在电子光谱中的截止形状的确定，这取决于在冲击区的粒子感觉到的扩散特性。这种形式可以推广到由加速粒子的动力学反应引起的上游前兆激波的情况。
2009-12-10 astro-ph.HE
An in situ comparison of electron acceleration at collisionless shocks under differing upstream magnetic field orientations
银河系宇宙射线起源的一个主要解释是年轻超新星遗迹周围无碰撞等离子体中高马赫数冲击波的加速。这方面的证据是由多波长的非热辐射提供的，这些辐射被认为与这些冲击中的超相对论电子有关。然而，依赖于上游磁场相对于当地正常的冲击波阵面（准平行/准垂直）的方向上的电子加速过程是有争议的。卡西尼号太空船在土星弓形激波的观测揭示了电子在准垂直条件下加速的例子，以及电子在准平行激波下加速的第一个现场证据。在这里，我们使用卡西尼数据，使这些不同的上游磁场制度下的局部加速电子的能谱之间的第一次比较。我们目前的数据在2008年3月8日的准垂直冲击交叉和2007年2月3日的准平行冲击交叉，强调两者都与电子加速到至少兆电子伏的能量。准垂直交叉的磁性特征具有相对尖锐的上游-下游过渡，并且在过渡附近和紧接下游处检测到高能电子。在准平行交叉处的磁跃迁不太清楚，在上游和下游遇到高能电子，并且电子能谱在~100 keV以上更硬。我们讨论了在每种情况下的加速度是否与扩散冲击加速理论一致，并建议准平行的光谱断裂是由于电子和短，大振幅的磁结构之间的能量相关的相互作用。
2017-05-31 astro-ph.HE
Global Kinetic Simulations of Monster Shocks and Their Emission
Physics Department；McDonnell Center for the Space Sciences, Washington University in St.\ Louis
研究通过全球粒子-网格模拟，揭示快速磁声波在中子星磁层中非线性陡峭化过程，发现其可产生GHz辐射并再现FRB观测特征。
2025-12-04 astro-ph.HE
Collisionless shocks in partly ionized plasma with cosmic rays: microphysics of non-thermal components
本文讨论了部分电离等离子体中非热成分存在下的天体物理无碰撞激波的一些观测问题和理论模型。快速强无碰撞激波的一个特殊特征是它们能够加速高能粒子，这些高能粒子可以改变激波上游流并形成激波前兆。我们讨论了高能粒子加速和相关的磁场放大和衰减的扩展冲击前兆的冲击线和连续多波长发射光谱的影响。这两个巴尔默型和辐射天体物理冲击的超新星遗迹与部分中性云的相互作用进行了讨论。在审查中描述的定量模型预测了一些可观察到的线状发射功能，可用于揭示的物理状态的物质在冲击前兆和非热过程的冲击的字符。最新进展的伽玛射线观测超新星遗迹的分子云的影响突出。
2013-04-03 astro-ph.HE
Electron energization in upstream of collisionless electron/ion shocks produced by interpenetrating plasmas
本文讨论了相对论e/i激波上游区的电子碰撞机制。通过粒子模拟，我们证明了电子与增强的电场和磁场的磁涡旋（MV）的相互作用可以获得大量的能量在相互作用过程中。MV是在相对论电子-离子激波的上游区域自产生的。
2020-06-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron Heating, Magnetic Field Amplification, and Cosmic Ray Precursor Length at Supernova Remnant Shocks
我们调查的可观测性，通过直接和间接的手段，由宇宙线的磁场放大所产生的冲击前兆。我们估计的深度，这样的前体的条件下的非共振放大，它可以提供磁场强度相媲美的超新星遗迹推断。磁场的产生是由于流动的宇宙射线引起等离子体返回电流，并且可以通过非谐振或谐振通道来淬灭。在非共振饱和的情况下，宇宙射线被磁化，放大在更高的磁场下饱和。前体可延伸至$10^{17} - 10^{18}$ cm，并且是潜在可检测的。如果共振饱和发生，宇宙射线被湍流散射，前体长度可能会小得多。前体长度对冲击速度的依赖关系对电子加热有影响。在共振饱和的情况下，这种依赖性类似于更熟悉的共振产生的激波前兆，当用宇宙射线扩散系数$\varkappa $和激波速度$v_s$表示时，它是$\varkappa /v_s$。在非共振饱和的情况下，随着$v_s$的增加，前体长度下降得不那么快。在前体长度与$1/v_s$成比例的情况下，电子加热恒定，这种增加的前体长度可以预期导致更高的电子温度用于非共振放大。这应该是预期在更快的超新星遗迹冲击比以前的研究工作。SN 1006和Cas A的现有结果和新数据分析为这一想法提供了一些观测支持。
2014-05-28 astro-ph.HE
Effects of Neutral Particles on Modified Shocks at Supernova Remnants
超新星遗迹（SNRs）的H-α辐射意味着周围介质中存在中性氢。在由宇宙射线（CR）修正的SNR冲击波的前驱体中，上游等离子体被CR压力推动，而中性粒子则没有，从而出现相对速度，并且一些中性粒子通过前驱体中的电荷交换过程成为拾取离子。我们研究了前体中产生的拾取离子如何影响激波结构和粒子加速。如果CR压力大于冲击压头压力的20%，则由于拾取离子的压力，子冲击的压缩变得小于没有拾取离子的压缩。此外，即使激波被CR修正，总压缩比也可以小于4。此外，拾取离子对注入粒子的加速起着重要的作用。如果冲击波是准垂直冲击波，并且发生多次反射离子加速，则CR谱可以比GeV以下的试验粒子扩散冲击波的CR谱硬。
2010-08-06 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
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
Two-stream-like instability in dilute hot relativistic beams and astrophysical relativistic shocks
相对论无碰撞激波被认为是有效的粒子加速器。非线性结果的相互作用的加速粒子的前面运行的冲击，所谓的“前体”，与未扰动的等离子体的冲击上游，被认为是促进这些粒子的额外加速，并可能修改的流体动力学结构的冲击。本文研究了在非磁化和弱磁化等离子体中传播的相对论激波中，激波上游相互作用中出现的动力学模的线性增长：静电双流平行模和静电斜模。这些模式是特别感兴趣的，因为它们是这种类型的系统中已知的增长最快的模式。使用一个简化的分布函数的稀释超相对论性光束，相对论热在自己的休息框架，但有动量，窄准直在冷上游等离子体的框架，它传播到，我们确定了最快的增长模式在整个$k$空间，并计算其增长率。我们考虑所有类型的等离子体（对和离子电子）和光束（带电和电荷中性）。我们发现，不稳定的静电模式存在于任何类型的等离子体和任何冲击参数。我们进一步发现，两个模式，一个平行（PDMATHAMN）和另一个倾斜（$k_\perp \sim k_\|$），是竞争优势和任何一个可能主导的增长率在不同区域的相空间。主导模式主要由上游坐标系中加速粒子动量的垂直分布决定，它反映了激波的洛伦兹因子。平行模式在具有较低洛伦兹因子的冲击中变得更占主导地位（即，具有较大的动量扩散）。我们简要地讨论了我们的结果可能的影响，在伽马射线暴源的外部冲击。
2011-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Analytic properties of electromagnetic field of binary compact stars and electromagnetic precursors to gravitational waves
解析地研究了包含至少一颗中子星的密近双星周围真空中电磁场的性质。我们表明，中子星的轨道运动诱导高多极模式的电磁场合并之前。这些模式被叠加形成一个螺旋臂配置和它的边缘被发现是一个可能的网站为磁重联。这些模式也使中子星双星的总坡印亭通量增加了2- 4倍。我们还指出，由轨道运动引起的电场导致磁层周围的双星和估计其等离子体密度，它有不同的参数依赖于Goldreich-Julian密度。利用这些性质，我们讨论了引力波事件可能的电磁对应物，并确定无线电前兆，如快速射电暴，作为最有前途的观测目标。
2020-08-11 astro-ph.HE
A nonlinear Monte Carlo model of super-diffusive shock acceleration with magnetic field amplification
宇宙等离子体中的快速无碰撞冲击将它们的动能流转化为热的下游热等离子体，其中相当大一部分能量进入超热带电粒子和磁波动的广谱。超热粒子可以穿透到激波上游区域，产生扩展的激波前兆。冷的上游等离子体流被超热粒子压力梯度提供的力减速。在高马赫数无碰撞激波中，有效的粒子加速可能与由加速粒子的各向异性分布产生的湍流磁场放大（MFA）相耦合。这种各向异性是由快速粒子输运决定的，使得问题具有强非线性和多尺度性。在这里，我们提出了一个非线性Monte Carlo模型的无碰撞冲击结构与超扩散传播的高能费米加速粒子耦合粒子加速和MFA提供了一个一致的描述强冲击。蒙特卡罗技术的一个显著特征是它包括在所有前体位置处的粒子分布的全角度各向异性。该模型揭示了高能粒子的超扩散传输（即，Levy-walk传播）在前体颗粒分布中产生强的四重各向异性。高能粒子的合成压力各向异性产生非共振镜型不稳定性，该不稳定性放大波长比由冲击产生的最高能量质子的回旋半径长的可压缩波模式。
2017-03-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The synchrotron maser emission from relativistic shocks in Fast Radio Bursts: 1D PIC simulations of cold pair plasmas
快速射电暴（FRB）的发射过程至今仍不清楚。我们研究磁星风中相对论激波的同步脉泽发射是否可以解释所观察到的FRB特性。我们进行粒子在细胞（PIC）模拟冷对等离子体中的垂直冲击，检查我们的结果之间的一致性三个PIC代码。我们确认，一个线性偏振的X-模式波是自洽产生的冲击和传播上游作为前驱波。我们发现，在磁化$σ\gtrsim 1$（即，波印廷通量与预激波流的粒子能通量的比率），激波将总入射能量的一部分$f_ξ' \approx 7 \times 10^{-4}/σ^2$转换成前驱波，如在激波系中测量的。波谱为窄带（分数宽度$\lesssim 1-3$），具有明显但不占主导地位的线状特征，因为许多共振同时起作用。在预激波（观测者）坐标系中的峰值频率是$ω^{\prime \prime}_{\rm peak} \approx 3 γ_{\rm s | u} ω_{\rm p}$，其中$γ_{\rm s|u}$是上游坐标系中的激波洛伦兹因子，$ω_{\rm p}$是等离子体频率。在$σ\gtrsim1$中，我们估计的$ω''_{\rm peak}$与以前的工作不同，激波结构呈现出由腔分离的两个孤子，峰值频率对应于腔的本征模。我们的研究结果提供了物理接地输入FRB发射模型内的磁星的情况。
2019-03-04 astro-ph.HE
Collisionless shock in a partially ionized medium. II. Balmer emission
传播到部分电离介质中的强激波通常与光学巴耳末线有关。这种发射是由于受冲击气体中的热质子和电子对中性氢的碰撞激发。在之前的论文（Blasi et al. 2012）中已经计算了这种Balmer主导冲击的结构，其中中性粒子的分布函数是从适当的Boltzmann方程推导出来的，包括通过电荷交换和电离与离子和电子耦合。这个计算显示了中性粒子的存在如何通过在激波前形成“中性粒子诱导”的前兆来显著改变激波结构。在这里，我们跟进我们以前的工作，并调查由此产生的巴耳末辐射的性质，目的是使用所观察到的辐射作为诊断工具的冲击参数。我们主要关注超新星残余激波，我们发现，对于典型参数，Hα发射通常具有三分量光谱轮廓，其中：1）窄分量来源于上游冷氢原子，2）宽分量来源于已经与激波下游的激波质子进行电荷交换的氢原子，以及3）中间组分是由于与中性诱导前体中的暖质子进行了电荷交换的氢原子。中间线的宽度反映了前体中的温度，而窄线的宽度不被前体改变。此外，我们表明，这两个中间和广泛的组件的配置文件一般偏离热分布。最后，我们表明，如果有效的电子加热发生在前体区域可以产生大量的巴耳末发射。
2012-10-16 astro-ph.HE
Shock acceleration with oblique and turbulent magnetic fields
我们调查冲击波加速在一个现实的天体物理环境与密度不均匀性。由激波前兆与上游密度波动的相互作用引起的湍流通过湍流发电机放大上游和下游磁场。电动机放大的湍流磁场（a）沿激波面引入激波折射率的变化，（b）通过激波漂移和扩散过程的组合实现能量增益，（c）引起加速粒子的各种光谱指数，（d）调节平行于和垂直于磁场的粒子扩散，以及（e）增加激波加速效率。我们的研究结果表明，上游密度不均匀性和发电机放大的磁场冲击加速起着重要的作用，因此冲击加速取决于周围的星际环境的条件。本文还讨论了这一结果对理解超新星遗迹射电谱的意义。
2021-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-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
Magnetic Field Amplification and Particle Acceleration in Weakly Magnetized Trans-relativistic Electron-ion Shocks
Columbia University（哥伦比亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
研究弱磁化跨相对论电子-离子冲击中磁场放大与粒子加速机制，发现不同不稳定性主导下非热离子和电子的加速效率及能量标度差异。
2026-02-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electromagnetic precursors to black hole - neutron star gravitational wave events: Flares and reconnection-powered fast-radio transients from the late inspiral
本研究利用广义相对论无力电动力学模拟发现，黑洞-中子星双星晚期旋近阶段的磁层相互作用会产生依赖磁场方向的电磁耀斑，可能引发类似快速射电暴的暂现源和X射线辐射，为引力波事件提供可探测的电磁前兆。
2023-09-28 astro-ph.HE
A filamentation instability for streaming cosmic-rays
我们证明了宇宙射线由于自身产生的磁场而在超新星遗迹激波的前兆中形成了类似的结构。宇宙线的折射导致长波长不稳定性的增长，自然地将小尺度上的快速非线性放大耦合到更大的长度尺度上。混合磁流体动力学-粒子模拟进行确认的效果。由此产生的大尺度磁场可能会促进高能宇宙射线的散射，这是在超新星遗迹冲击波中加速宇宙射线谱中超过膝盖的质子所必需的。在激波上游很远的地方形成的丝状体也可能有助于宇宙射线从加速器中逃逸。
2011-09-26 astro-ph.HE
Constraints on the Engines of Fast Radio Bursts
我们使用Metzger，Margalit和Sironi（2019）的同步加速器冲击波模型对快速射电暴（FRB）的样本进行了建模，包括新发现的CHIME中继器。这个模型假设，FRB的前身辐射超相对论磁化冲击产生的耀斑喷出物从一个中央引擎碰撞一个有效的固定的外部介质。爆发频率结构的向下漂移自然是由爆炸波的减速引起的。这些数据与能量为$E_{\rm flare} \sim 10^{43}-10^{46}(f_ξ/10^{-3})^{-4/5}$ erg的耀斑产生的FRB是一致的，其中$f_ξ$是微波激射器的效率，而最小体积洛伦兹因子$Γ\approx 10^2-10^3$在激波半径$r_{\rm sh} \sim 10^{12}-10^{13}$ cm处产生观测到的FRB。我们推断上游密度$n_{\rm ext}(r_{\rm sh}) \sim 10^{2}-10^{4}$厘米$^{-3}$和径向配置文件$n_{\rm ext} \propto r^{-k}$显示一系列的斜率$k \approx [-2,1]$（这被认为是发展之间的爆发），大致一致的上游介质是最近的高能耀斑释放的离子加载壳的内边缘。爆发的时间尺度，能量，速率和外部介质的属性是一致的，从年轻的，超活跃的耀斑磁星所产生的重复FRB，但所提出的方法通常适用于任何中央引擎，注入能量脉冲到一个致密的磁化介质。讨论了该模型的解释和…
2020-04-21 astro-ph.HE
Effects of Pre-ionisation in Radiative Shocks I: Self-Consistent Models
在本文中，我们处理的预电离问题的冲击速度范围$10 < v_{\rm s} < 1500$ \，公里/秒的自洽方式。我们确定四个不同的类的解决方案控制的冲击前兆参数，$Ψ= {\cal Q}/v_s$，其中${\cal Q}$是上游逃逸的紫外光子的电离参数的值。这个参数决定了进入激波的气体的温度和电离程度。在速度增加时，激波解状态是冷中性前体（$v_s \lesssim 40$ \，km/s）、暖中性前体（$40 \lesssim v_s \lesssim 75$ \，km/s）、暖部分电离前体（$75 \lesssim v_s \lesssim 120$ \，km/s）和快激波，在快激波中，激波前气体处于光电离平衡，并且完全电离。磁场的主要作用是将这些速度范围推到更高的值，并限制冲击后压缩。为了便于与激波观测结果进行比较，我们提供了一些方便的参数，如激波后温度，压缩因子，冷却长度，H $β$和X射线光度的标度关系。
2017-02-24 astro-ph.HE astro-ph.IM
Non-Thermal Electron Acceleration in Low Mach Number Collisionless Shocks. II. Firehose-Mediated Fermi Acceleration and its Dependence on Pre-Shock Conditions
已知电子加速到非热能发生在星系团和太阳耀斑的低马赫数（M<5）激波中，但电子加速机制仍然知之甚少。利用二维等离子体粒子模拟，我们在论文I中证明了电子在低马赫数（M=3）准垂直激波中通过类费米过程被有效地加速。电子在上游区域和冲击波阵面之间反弹，在冲击波处的每次反射通过冲击波漂移加速导致能量增益。上游散射由斜磁波提供，斜磁波是由冲击前逸出的电子自发产生的。在目前的工作中，我们采用额外的二维PIC模拟来解决上游斜波的性质。我们发现，波产生的冲击反射电子通过消防水龙带不稳定性，这是由各向异性的电子速度分布。我们系统地探讨波的产生和电子加速的效率如何依赖于磁场的磁化强度，流动磁化（或等效地，等离子体β），和上游电子温度。我们发现，该机制适用于冲击与高等离子体β（>20）在几乎所有的磁场强度，并为电子温度的范围内相关的星系团。我们的研究结果提供了一个自然的解决方案，从星系团的外围观测到的明亮的无线电同步辐射和低电子加速效率通常预期在低马赫数冲击之间的冲突。
2014-10-23 astro-ph.HE
Effects of Neutral Hydrogen on Cosmic Ray Precursors in Supernova Remnant Shock Waves
许多快超新星遗迹激波的光谱都是以巴耳末线为主。的H $α$配置文件有一个狭窄的组成部分解释的直接激发和热多普勒加宽的组成部分，由于原子进行电荷交换后的冲击区。然而，标准模型并没有考虑宇宙射线激波的前兆，它在激波之前压缩和加速等离子体。在具有足够高密度的强前体中，电荷交换、激发和电离过程将影响窄线和宽线分量的宽度。此外，中性粒子和前体等离子体之间的速度差由于前体中的电荷交换和电离而引起摩擦加热。在极端的情况下，所有的中性粒子都可以被前体电离。在本文中，我们计算的离子和电子加热的冲击参数范围很广，随着到达冲击的中性粒子的速度分布。我们的计算预测非常大的窄组件宽度的一些冲击与有效的加速，随着变化的宽窄强度比作为诊断的电子-离子温度比。因此，巴耳末线可以提供对前体性质的独特诊断。我们表明，加热中性的前体可以解释所观察到的H $α$窄组件的宽度，和迄今为止观察到的最巴耳末线冲击的加速效率是适度的。
2011-03-16 astro-ph.HE
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
Measure of precursor electron density profiles of laser launched radiative shocks
我们研究了在布拉格Asterix激光系统装置上用高能亚纳秒碘激光产生的强辐射冲击的动力学
2010-05-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Propagation of weak shocks in cool-core galaxy clusters in two-temperature magnetohydrodynamics with anisotropic thermal conduction
以英仙座星系团为基准模型，研究了不同的磁流体动力学模型对星系团核心弱激波（马赫数~1.2）传播的影响。特别是，我们研究如何热传导，各向同性和各向异性，和离子-电子温度平衡修改弱冲击。预计强热传导将产生电子温度前体。也形成不太突出的压力和密度前体。较长的平衡时间大大降低了密度前体，但不会改变电子温度前体很多。当热传导变得各向异性时，团内磁场会在热通量引起的激波畸变上留下其特征性的空间尺度。
2020-07-03 astro-ph.HE
Pre-acceleration in the Electron Foreshock I: Electron Acoustic Waves
为了进行扩散冲击加速，电子需要被预加速以将它们的能量增加几个数量级，否则它们的回旋半径小于冲击的有限宽度。在斜激波中，上游磁场方向既不平行于激波法线，也不垂直于激波法线，电子可以逃逸到激波上游，将激波脚修改为称为电子前震的区域。为了确定在这个区域的预加速度，我们进行PIC模拟的斜激波，而不同的结晶度和面内角度。我们表明，虽然反射电子的比例是可以忽略不计的$θ_{\rm Bn} = 74.3^\circ$，它增加到$R \sim 5\%$为$θ_{\rm Bn} = 30^\circ$，并通过电子声学不稳定性，这些电子功率静电波上游的能量密度成正比于$R^{0.6}$和波长$\approx 2 λ_{\rm{se}}$，其中$λ_{\rm{se}}$是电子皮长度。虽然最初的反射机制通常是冲击冲浪加速度和磁镜像的组合，我们表明，一旦静电波已经产生上游，他们自己可以增加上游电子的动量平行于磁场。在$\lesssim 1\%$的情况下，上游电子过早地从冲击波转向，并且从未注入下游。与此相反，一个类似的部分被重新散射回反射后的冲击波，重新与冲击波的能量比热的大得多，并进入下游交叉。
2022-04-25 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
Magnetic field amplification by cosmic-ray-driven turbulence: I. isotropic CR diffusion
我们进行了磁流体动力学模拟研究的磁场的冲击波的前兆放大。在超新星遗迹中发生的强烈冲击的前兆中需要强磁场。观测还表明，磁场放大发生在星系团中的弱冲击中，并产生所谓的无线电遗迹。在这里，我们将宇宙射线驱动湍流对磁场放大的研究扩展到弱激波。放大是由湍流驱动的，湍流是由宇宙射线压力作用于上游流体中的密度不均匀性产生的。从星系团外围的X射线数据推断出的聚集现象可能提供了一些种子的不均匀性。产生了磁场功率谱和法拉第图。此外，我们研究如何同步辐射的冲击前兆可以用来验证这种不稳定性的存在和约束必要的等离子体参数。
2013-08-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Particle Acceleration by Pickup Process Upstream of Relativistic Shocks
本文用二维粒子模拟方法研究了电子-离子等离子体中磁化的纯垂直相对论激波对粒子的加速。已知具有上游体洛伦兹因子$γ_1 \gg 1$的磁化激波从激波阵面发射出强烈的电磁波，这些电磁波分别通过受激/感生拉曼散射和双折射不稳定性在上游区域诱发静电等离子体波（尾场）和横向介电结构。尾流场和细丝将一部分进入的粒子注入粒子加速过程中，在该过程中，粒子一旦通过尾流场与上游整体流分离，并且再次被流拾取。被拾取的粒子被运动电场加速。最大可达到的洛伦兹因子估计为$γ_{max,e} \sim αγ_1^3$的电子和$γ_{max,i} \sim (1+m_eγ_1/m_i)γ_1^2$的离子，其中$α\sim 10$是从我们的模拟结果确定。如果$γ_1$足够大，对于弱磁化冲击，$α$可以增加到$γ_1$。这一结果表明，高相对论性的天体物理冲击，如伽马射线暴的外部冲击，可以是一个有效的粒子加速器。
2021-11-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Direct Observational Constraint on Upstream Magnetic Field Amplification Reveals the Particle Acceleration Limit in a Supernova Remnant
Konan University（神户大学）；University of Miyazaki（宫崎大学）
本研究通过钱德拉望远镜观测超新星遗迹RX J1713.7$-$3946的上游X射线热点，测得其上游磁场强度约10 μG，发现该区域磁场放大不足，无法将粒子加速至PeV能量，解释了TeV伽马射线能谱截断并提供了评估PeVatron能力的诊断方法。
2026-10-14 astro-ph.HE
Magnetosphere Evolution and Precursor-Driven Electromagnetic Signals in Merging Binary Neutron Stars
本文通过无力场模拟研究并合双中子星的磁层演化与坡印廷通量，首次计算表面电磁转矩及高能前兆信号，并指出MeV观测窗口和射电、余辉回声可能性。
2025-09-26 astro-ph.HE
Pre-acceleration in the Electron Foreshock II: Oblique Whistler Waves
热电子的回旋半径比冲击波的有限宽度小很多个数量级，因此在它们能够穿过冲击波之前需要被预加速，并通过扩散冲击波加速来加速。可能发生预加速的一个区域是内部前震，上游电子必须在任何潜在的下游交叉之前通过。在本文中，我们进行了一个大规模的粒子模拟，产生一个单一的冲击与参数的动机从超新星遗迹。在前震内，反射的电子激发斜哨声不稳定性，并产生电磁哨声波，它与上游流共同移动，并作为非线性结构，最终达到半径高达5离子回旋半径。我们发现，内部的电磁配置的哨声演变成复杂的非线性结构的强磁场的上游值的4倍左右的约束。虽然这些非线性结构一般不与同空间的上游电子相互作用，但它们与在冲击中反射的电子共振。我们表明，它们可以散射，甚至陷阱，反射电子，限制周围的总上游电子人口的$0.8\%$的区域接近冲击，在那里他们可以进行大量的预加速。这种加速过程类似于随机冲击漂移加速，但效率大约是随机冲击漂移加速的3倍。
2023-01-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Generation of Large-scale Magnetic Fields Upstream of Gamma-Ray Burst Afterglow Shocks
本研究通过二维粒子模拟探究伽马射线暴余辉激波上游的磁场起源，发现持续注入的电子-正电子对经类丝状不稳定性驱动大尺度磁场增长，其演化具自相似性，外推结果可解释暴后大尺度磁场的持续存在。
2025-06-11 astro-ph.HE
The upstream magnetic field of collisionless GRB shocks: constraint by Fermi-LAT observations
长寿命的>100 MeV辐射是大多数费米-LAT探测到的伽马射线暴（GRB）的共同特征，例如，在长伽玛射线暴080916 C和090902 B中检测到的时间长达~10^3s，在短伽玛射线暴090510中检测到的时间为~10^2s。这种发射是一致的产生的同步辐射的电子加速到高能量的相对论无碰撞冲击传播到弱磁化介质。在这里，我们表明，这种高能量余辉发射约束的震前磁场满足1（n/1cc）^{9/8} mG<B<10^2（n/1cc）^{3/8}mG，其中n是震前密度，比以前的约束更严格的X射线余辉观测在一天的尺度。这表明震前磁场被强烈放大，很可能是由高能冲击加速粒子流造成的。
2011-04-28 astro-ph.HE
Electron acceleration in non-relativistic quasi-perpendicular collisionless shocks
利用自洽的一维粒子模拟方法研究了非相对论准垂直激波中电子的扩散激波加速。通过探索音速和Alfvénic马赫数的参数空间，我们发现，高马赫数准垂直冲击可以有效地加速电子到幂律下游谱与DSA预测的斜率一致。电子在激波处被磁镜反射，并在上游驱动非共振波。反射的电子被困在冲击波阵面和上游波之间，并在注入DSA之前经历多个冲击漂移加速循环。强电流驱动的波也暂时改变了冲击波的速度，并导致温和的质子预加速，即使在准垂直冲击，否则不会加速质子。这些结果可用于理解超新星遗迹和星系团团内介质的非热辐射。
2020-07-02 astro-ph.HE
Electromagnetic precursor flares from the late inspiral of neutron star binaries
两颗中子星的合并伴随着引力波的发射，也可以具有由质量喷出物提供动力的电磁对应物，以及合并后形成的相对论性喷流。由于中子星可以具有强磁场，因此中子星磁层之间的非平凡相互作用可能会在合并之前引发潜在的强大电磁瞬变。为这些前兆瞬变提供动力的一个关键过程是在两颗恒星之间形成的强电流片中的相对论重联。在这项工作中，我们提供了一个详细的分析如何扭曲的共同磁层的二进制导致电磁耀斑的发射，类似于在太阳日冕中产生的。通过相对论性无力电动力学模拟，我们澄清了不同的磁场拓扑结构在这个过程中的作用。我们的结论是，耀斑总是会发生适当的磁场的路线，除非其中一个中子星有一个磁场明显弱于其他。
2022-05-19 astro-ph.HE gr-qc
General relativistic simulations of binary black hole-neutron stars: Precursor electromagnetic signals
首次对自旋和非自旋黑洞轨道上的中子星磁层进行了广义相对论无力模拟。我们发现有希望的前体电磁发射：典型的坡印廷光度，例如，对于1.4太阳质量的NS和10^{13}G极向磁场，6.6倍NS半径的轨道间隔为L ~ 6 x 10^{42} erg/s。坡印廷通量在方位角方向上约40度的宽光束内以及距轨道平面约60度内达到峰值，建立了可能的灯塔效应。我们的计算虽然是初步的，但我们计划在未来对这些系统进行更详细的模拟。
2013-07-17 astro-ph.HE gr-qc
Wave-Growth-Limited Particle Confinement in a Near-Parallel Interplanetary Shock Observed by Parker Solar Probe
The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；University of Turku（图尔库大学）；University of California, San Diego（加州大学圣迭戈分校）；Eureka Scientific（尤里卡科学公司）；Ben Gurion University of the Negev（本-古里安大学）；KU Leuven（鲁汶大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Princeton University（普林斯顿大学）
帕克太阳探测器在0.24天文单位处观测到近平行激波，发现粒子约束边界随剩余时间呈幂律下降，表明激波前兆的粒子约束刚性由流动粒子自生波的增长速率决定。
2026-10-08 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Acoustic instability at shock-wave precursors
Gran Sasso Science Institute (GSSI)（格兰萨索科学研究所）；INFN – Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)（意大利国家核物理研究所——格兰萨索国家实验室）
通过磁流体动力学模拟，研究非相对论激波前由宇宙线压力梯度驱动的声学不稳定性如何放大磁场并产生湍流。
2026-04-14 astro-ph.HE hep-ph physics.plasm-ph
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
Turbulence-induced magnetic fields and the structure of Cosmic Ray modified shocks
我们提出了一个模型的扩散冲击加速（DSA）中的冲击前兆随机磁场产生通过纯流体机制的所谓的小规模发电机。这与先前的DSA模型形成对比，DSA模型考虑了通过宇宙射线流不稳定性放大的磁场;即，或者通过磁场中的单个粒子共振散射，或者通过与大规模宇宙射线流相关联的宏观电流。相反，在我们的图片中，发电机工作所需的螺线管速度扰动是通过宇宙线前兆的压力梯度和流入流体中的密度扰动的相互作用产生的。我们的估计表明，这种机制提供了快速增长的磁场，是非常普遍的。我们认为，对于超新星冲击，该机制能够产生上游磁场，其强度足以将宇宙射线加速到10^16 eV左右。不需要任何其他机制的动作。
2009-10-31 astro-ph.GA astro-ph.HE
