Role of the Plasmoid Instability in Magnetohydrodynamic Turbulence
演化电流片中的等离子体团不稳定性由于其对电流片的破裂、等离子体团的形成以及由此产生的快速磁重联的影响而被广泛研究。在这封信中，我们研究的作用，等离子体团不稳定性的二维磁流体动力学（MHD）湍流的高分辨率直接数值模拟。在足够大的磁雷诺数（$R_m=10^6$），动态对准和湍流的共同作用导致大量的强电流片的等离子体团的形成。电流片结构的破坏促进了能量向小尺度的级联，导致能谱的断裂和陡峭化。在等离子体团介导的制度，能谱显示的缩放，是接近的光谱指数$-2.2$提出的最近的分析理论。我们还证明了二维MHD湍流中存在尺度相关的动态对准，对应的对准角的斜率接近0.25。
2018-09-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Spectral Evolution and Current Sheet Analysis as Probes of Reconnection-Mediated Decay in Magnetically Dominated Turbulence
International Center for Theoretical Sciences ICTS-TIFR, Bengaluru, India（国际理论科学中心）
研究通过磁重联模型揭示磁主导湍流中磁能衰减与逆向传输的机制，表明局部伦琴数影响衰减特性。
2026-01-25 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Statistics of Current and Vorticity Structures in Relativistic Turbulence
University of Hawaii, Manoa（夏威夷大学马诺阿分校）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）
本研究通过PIC模拟和自组织映射统计分析了相对论性湍流中电流片与涡度片的几何特性及空间关系，发现其概率分布呈幂律且宽度指数分布，并受磁场涨落比强烈影响，为结构基能量耗散模型提供统计基础。
2025-10-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dynamic alignment and plasmoid formation in relativistic magnetohydrodynamic turbulence
我们提出了高分辨率的二维和三维模拟磁化衰减湍流的相对论电阻磁流体力学。模拟结果表明，动态形成的大规模间歇性长寿命的电流片被破坏的撕裂不稳定性成等离子体链。这些电流片是增强的磁场耗散和等离子体加热的位置。我们发现磁场能量谱$\propto k^{-3/2}$，连同强烈明显的动态排列的Elsasser场和速度和磁场，强导场湍流，而我们检索谱$\propto k^{-5/3}$的情况下，弱导场。
2021-11-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic field structure of relativistic jets without current sheets
我们提出了一个分析类的平衡解的结构的相对论剪切和旋转磁化射流不包含边界电流片。我们证明了这些解决方案的整体动力学稳定性，最重要的是，一个更好的数值电阻稳定性比常用的无力结构，不可避免地需要耗散的表面电流的存在。射流的体积受到外部压力的限制，表面上没有压力梯度。我们计算预期观察到的属性，这样的射流。考虑到这些解的简单性，我们建议将它们作为相对论性喷流模拟的有用初始条件。
2011-10-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle Acceleration in Relativistic Plasma Turbulence
由于湍流的普遍存在，它经常被用来解释天体物理学中高能辐射源中非热粒子的起源。利用粒子模拟，我们研究了磁主导（或等效的“相对论”）对等离子体中的衰减湍流。我们发现，幂律粒子能谱的产生是相对论湍流的一个通用的副产品。对于较高的磁化强度和较强的湍流水平，幂律斜率更难。在大型系统中，斜率达到一个渐近的，系统大小无关的值，而高能量的光谱截止随系统大小线性增加;斜率和截止不依赖于我们的域的维数。通过跟踪大量的粒子样本，我们发现粒子注入发生在重新连接电流片时;注入的粒子通过与湍流波动的随机相互作用进一步加速。我们的研究结果对高能天体物理源中非热粒子的起源具有重要意义。
2018-09-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Richtmyer-Meshkov Type Instability of a Current Sheet in a Relativistically Magnetized Plasma
研究了在引导磁场作用下，电流片在冲击波作用下的线性稳定性。我们发现，相对论磁化等离子体中的电流片总是表现出Richtmyer-Meshkov型不稳定性，但它依赖于牛顿极限下的密度结构。不稳定性的增长预计会在电流片周围产生湍流，这可以诱导所谓的湍流重联，其速率基本上不受等离子体电阻率的影响。因此，在脉冲星风星云、伽马射线暴和活动星系核等高能天体物理现象中，冲击波可能起着至关重要的作用。
2012-09-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron and ion energization in relativistic plasma turbulence
电子和离子隙（即，加热和非热加速）是等离子体湍流的基本但知之甚少的结果。在这项工作中，我们提出了新的结果，在这个主题从粒子在细胞模拟驱动湍流无碰撞，相对论性电子离子等离子体。我们专注于温度，使离子（质子）是次相对论和电子是超相对论，一个政权的高能天体物理系统，如热吸积流到黑洞。我们发现，离子倾向于优先加热，获得了一个数量级以上的能量比电子，并提出了一个简单的经验公式来描述的电子-离子的能量分配作为一个函数的比例的电子-离子gyroradii（这反过来又是一个函数的初始温度和等离子体β）。我们还发现，虽然有效的非热粒子加速发生在超相对论制度的两个物种，非热电子人口减少，而非热离子人口基本上不变的温度降低。这些结果对热吸积流的模拟和解释观测具有一定的意义。
2019-01-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Radiative PIC simulations of relativistic pair plasma: multiple interacting current sheets and turbulent evolution
INAF, Osservatorio Astrofisico di Arcetri（意大利国家天体物理研究所，阿切尔西天文台）；SETI Institute（搜寻地外文明研究所）；Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Firenze（佛罗伦萨大学，物理与天文系）；INFN, Via G. Sansone 1（意大利国家核物理研究所）；IAPS, INAF（国际空间科学研究所，意大利国家天体物理研究所）；ENEA, NUC Department（意大利国家新 technologies、能源和可持续经济发展署，核能部门）；Institut für Theoretische Physik, Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学，理论物理研究所）
本文通过二维相对论粒子-网格（PIC）模拟研究了在高能天体物理环境中，如脉冲星风 nebula 中的粒子加速区域和相对论喷流中，多个相互作用电流片的辐射磁重联动力学，揭示了非线性湍流演化及同步辐射加速机制。
2026-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic particle acceleration in developing Alfvén turbulence
利用一维电磁全粒子程序，研究了相对论对等离子体参数不稳定性过程中Alfvén湍流发展过程中的粒子加速过程.相干波-粒子相互作用导致有效的粒子加速，从而导致类似幂律的能量分布函数。在模拟中，具有大相对论质量的高能粒子优先加速湍流谱随时间的演变。主要的加速机制是粒子与两种不同波之间的同时相对论共振。导出了这种波粒相互作用中最大可达能量的解析表达式。
2009-12-11 astro-ph.HE astro-ph.SR
Turbulence and particle acceleration in a relativistic plasma
在无碰撞等离子体中，湍流会强烈影响等离子体粒子的能量分布函数。特别是，它可以在高能量下发展出非热幂律尾。我们认为，最初的相对论性强的磁扰动（磁化参数$σ\gg 1$）的湍流迅速演变成一个超相对论等离子体温度，但温和的相对论性湍流波动的状态。我们提出了一个唯象和数值研究表明，在这种情况下，指数$α$的幂律粒子能量分布函数，$f(γ)dγ\propto γ^{-α}dγ$，依赖于磁压缩湍流。我们对标度指数$α$的解析预测与数值计算结果吻合得很好。
2021-12-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fast Magnetosonic Turbulence in Two-Dimensional Relativistic Plasmas
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
研究通过全动能模拟揭示了二维相对论等离子体中驱动湍流的快速磁声级联特性，发现湍流从弱波主导态向强激波驱动态转变，并验证了弱湍流谱特性与理论一致。
2026-04-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Spectra of magnetic turbulence in a relativistic plasma
本文通过唯象分析与二维PIC模拟研究磁主导无碰撞相对论等离子体中的强Alfvén湍流，给出总能量、残余能量、动态排列及惯性区陡化谱的标度律。
2023-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weak Alfvénic turbulence in relativistic plasmas. Part 1. Dynamical equations and basic dynamics of interacting resonant triads
阿尔文波碰撞是贯穿日光层和中低能量天体物理系统的非相对论性湍流的主要组成部分。然而，许多天体物理系统，如伽马射线暴、脉冲星和磁星磁层以及活动星系核都具有相对论流或能量密度。为了更好地理解这些高能量系统，我们推导出简化的相对论MHD方程，并利用它们来研究弱Alfvénic湍流，主要由三波相互作用，在简化的相对论磁流体力学，包括力自由，无限磁化极限。我们比较了数值解和解析解，证明了非相对论弱湍流的许多发现保留在相对论系统中。但是，相对论极限的一个重要区别是形式上不可压缩极限的不适用性，即无论磁场的强度如何，都存在与可压缩快模的有限耦合。由于快模可以跨场线传播，这种机制为能量提供了一条逃离强磁化系统的途径，例如，磁星磁层然而，我们发现，快速Alfvén耦合在斜传播的限制减少。
2022-02-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Compressible Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence in Magnetically-Dominated Plasmas And Implications for A Strong-Coupling Regime
在这封信中，我们报告可压缩模式的影响，相对论磁流体动力学（RMHD）湍流坡印廷占主导地位的等离子体使用3维数值模拟。采用Cho & Lazarian（2002）的模式分解方法，将湍流中的涨落分解为快、慢和Alfvén三种MHD模式，并分别分析了它们的能谱和结构函数。分析了可压缩模态能量与Alfvén模态能量之比随其马赫数的变化关系。结果表明，可压缩模的比例不仅随Alfvén马赫数的增大而增大，而且随背景磁化强度的增大而增大，这表明在坡印廷主导的等离子体中，快模和Alfvén模之间存在强耦合，并出现了不同于非相对论MHD情形的新的RMHD湍流区.这一发现将影响通过假设Alfvénic临界平衡湍流获得的粒子加速效率，并将改变由非热电子产生的光子谱。
2016-10-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Measurement of magnetic field and relativistic electrons along a solar flare current sheet
在太阳耀斑的标准模型中，大尺度重联电流片被假定为耀斑能量释放和粒子加速的中心引擎。然而，由于缺乏对电流片磁特性的测量，能量释放和粒子加速在哪里以及如何发生仍然不清楚。在这里，我们报告的测量空间分辨磁场和耀斑加速相对论电子沿电流片功能在太阳耀斑。测量的磁场轮廓显示出局部最大值，其中相反极性的重连场线彼此紧密接近，称为重连X点。测量还揭示了耀斑环顶上方电流片底部附近的局部最小值，称为“磁瓶”。这种空间结构与理论预测和数值模拟结果一致。推测在X点附近存在~4000 V/m的强重联电场。然而，这个位置显示了微波发射相对论电子的局部耗尽。相反，这些电子集中在磁瓶结构处或附近，其中超过99%的电子在每个时刻都驻留在磁瓶结构处。我们的观察表明，环顶磁瓶可能是加速和/或限制相对论电子的主要网站。
2020-05-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Particle energization in relativistic plasma turbulence: solenoidal versus compressive driving
许多高能天体物理系统包含磁化的无碰撞等离子体和相对论粒子，其中湍流可以由螺线管和压缩运动的任意混合驱动。例如，热吸积流中的湍流可以由磁旋转不稳定性以螺线管方式驱动，或者由螺旋冲击波以压缩方式驱动。了解驱动机制对动力学湍流和相关颗粒湍流的作用是很重要的。在这项工作中，我们比较粒子在细胞模拟的螺线管驱动的湍流与类似的模拟压缩驱动的湍流。我们专注于等离子体，有一个初始的单位β，相对论热电子，和不同的离子温度。除了强大的大规模密度波动的压缩情况下，湍流统计是相似的两个驱动器，和散装等离子体描述的相当好的等温状态方程。我们发现，非热粒子加速是更有效的湍流压缩驱动时。在相对论热离子的情况下，这两种驱动机制最终导致类似的幂律粒子能量分布，但在不同的持续时间。在非相对论离子的情况下，有显着的非热粒子加速只有压缩驱动。此外，我们发现，电子-离子加热比是小于单位的两个驱动器，但需要一个较小的值压缩驱动。我们证明，这一额外的离子阻尼与大规模的压缩模式通过垂直电场的无碰撞阻尼。
2021-12-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Strong Coupling of Alfvén and Fast Modes in Compressible Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence in Magnetically-Dominated Plasmas
在本文中，我们报告了我们对坡印廷主导的等离子体湍流中Alfvén和快模之间新的强耦合状态的详细分析，在我们以前的工作Takamoto & Lazarian（2016）中报道，这是许多相对论等离子体现象的重要影响，并呼吁建立坡印廷主导的MHD湍流的新理论。对等温等离子体中的相对论MHD湍流进行了数值模拟，分析了快模与Alfvén模能量的比值。我们发现，即使在等温等离子体中，也可以观察到快模随背景$σ$参数的增加而增加的现象，表明这种现象在坡印廷主导等离子体中的trans-Alfvénic湍流中是普遍存在的.为了研究详细的能量转换过程，我们还进行了一系列的模拟衰减湍流注入纯Alfvén，快，慢模式，分别，并研究了从每个模式的模式转换的发展。我们还发现Alfvén模和快模之间的模式转换对背景温度几乎不敏感。最后，我们报告了一个结果的模拟与初始快模式为主的湍流。它发展成一个时间上的强耦合区，这是我们提出的快模和阿尔文模强耦合区存在的有力证据。结果表明，坡印廷主导等离子体中的强湍流与非相对论等离子体中的强湍流有很大的不同。这对坡印廷支配等离子体中粒子加速和非热光子发射的研究具有重要的指导意义。
2017-09-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Relativistic Particle Transport and Acceleration in Structured Plasma Turbulence
本文讨论了三维不可压MHD湍流中相对论性带电粒子运动的扩散现象及其扩散特性。我们发现，由湍流等离子体运动诱导的随机电场导致测试粒子在一个模拟的盒子中运动，以随机的方式，一个二阶费米过程被加速。这些颗粒中的一小部分恰好被困在大尺度结构中，最有可能是由于湍流中岛屿的相互作用而形成的。这样的粒子得到指数加速，只要它们的俯仰角满足某些条件。我们将详细讨论加速结构的特征和负责快速加速的物理过程。我们还评论的适用性的结果，以现实的天体物理湍流。
2022-04-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Symmetrizations of RMHD equations and stability of relativistic current-vortex sheets
本文考虑狭义相对论情形下的相对论磁流体力学方程。对于流体静止框架的非保守的RMHD方程的重新给出了一个对称系统的原始（物理）变量的矢量。通过对该系统进行洛伦兹变换，我们得到了在LAB-标架中对称矩阵的一种具体形式。由此得到的关于原始变量的对称系统对于研究RMHD方程的各种初边值问题是重要的。我们还发现了一个所谓的二次对称化，其直接后果是较早获得的非相对论平面电流涡片的相对论情况下的充分稳定性条件的延伸。在非相对论的设置，这意味着当地的时间存在相应的光滑的非平面电流涡面。
2013-02-05 astro-ph.HE gr-qc math.AP
Imbalanced Relativistic Force-Free Magnetohydrodynamic Turbulence
当磁能密度远大于物质的磁能密度时，如在脉冲星/黑洞磁层中，介质变成无力的，我们需要相对论来描述它。在非相对论磁流体力学（MHD）中，相对论极限下的Alfvénic MHD湍流可以用逆行波包的相互作用来描述。本文数值研究了这种环境中的强不平衡MHD湍流。这里，不平衡湍流意味着在一个方向上行进的波（主波）具有比相反的行波（次主波）更高的振幅。我们发现：（1）主波的频谱比次主波的频谱陡，（2）主波的各向异性比次主波的各向异性弱，（3）主波和次主波的磁能密度之比对能量注入率之比的依赖性比二次依赖性陡（即，b_+^2/b_-^2 \propto（ε_+/ε_-）^n（n>2）。这些结果与不平衡非相对论Alfvénic湍流的结果一致。这与先前报道的相对论性和非相对论性平衡磁湍流的相似性很好地对应。
2013-12-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
On the Linear Stability of Magnetized Jets Without Current Sheets: Non-Relativistic Case
在本文中，我们考虑不携带净电流且不具有电流片的磁化射流的稳定性（Gourgouliatos等人，2012）。将非相对论性MHD方程围绕背景速度和射流的磁场结构线性化。由此产生的线性方程数值求解内射流。我们发现，引入电流片自由磁场显着提高射流稳定性相对于未磁化的射流或磁化射流与电流片在其表面。这特别适用于基本的箍缩和扭结模式-它们在宽范围的长波长中被完全抑制，当演化进入非线性状态时，已知长波长对射流稳定性最有害。收缩和扭结不稳定性的反射模式也随着磁化强度的增加而逐渐变得更加稳定。
2015-02-27 astro-ph.HE
Collisionless tearing instability in relativistic non-thermal pair plasma and its application to MHD turbulence
本文研究相对论性非热正负电子等离子体中幂律分布下的无碰撞撕裂不稳定性，揭示粒子谱硬化和无力极限对增长率的影响，并将其应用于MHD湍流，推导出不稳定涡旋尺寸及临界磁化参数。
2024-10-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Property of downstream turbulence driven by the special relativistic shock-clump interaction
该研究通过三维相对论磁流体动力学模拟，发现相对论激波与团块相互作用产生的下游湍流中压缩模与螺线管模振幅相当，且湍流特性受上游密度波动影响，解释了伽马射线暴余辉中磁能比的多样性，并影响粒子加速。
2025-03-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Non-linear collisionless damping of Weibel turbulence in relativistic blast waves
在弱磁化无碰撞冲击波的物理学中，韦伯/双折射不稳定性起着关键的作用。从高能天体物理学的角度来看，这种不稳定性也起着至关重要的作用，因为它在激波前兆中的发展使下游充满了小尺度的静磁湍流，这种湍流形成了超热粒子的加速和辐射过程。本工作讨论了相对论性无碰撞冲击波的韦伯产生的湍流下游的耗散的物理。它明确地计算与粒子轨迹的扩散性质相关的一阶非线性项。这些修正被发现系统地增加阻尼率，假设散射长度保持大于磁波动的相干长度。这种校正的相关性进行了讨论，在更广泛的天体物理学的角度来看，特别是关于物理学的外部相对论性冲击波的伽马射线暴。
2014-10-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
On the Linear Stability of Magnetized Jets Without Current Sheets - Relativistic Case
在我们以前的论文中，我们考虑了边界上没有电流片的磁化射流的非相对论线性稳定性分析。在本文中，我们扩展我们的分析相对论射流。为了寻找无电流片磁化相对论喷流的不稳定模式，我们将完全相对论磁流体力学方程线性化并数值求解。得到了箍缩模和扭结模不稳定性的色散关系。通过比较弱相对论性喷流（洛仑兹因子2）和中等相对论性喷流（洛伦兹因子10）的色散关系，发现具有较高洛伦兹因子的射流在收缩和扭结模式下的稳定性都显著提高。我们表明，列入目前的无片磁场在射流中进一步提高了稳定性。随着磁化强度的增加，箍缩和扭结模式的不稳定性逐渐变得更加稳定。我们还显示了不稳定模式的最大时间增长率和射流的洛伦兹因子之间的标度关系。对于我们研究的大多数模式，不稳定模式的最大时间增长率与洛伦兹因子成反比。然而，对于基本箍缩模式，它与洛伦兹因子的平方成反比。无论是否存在磁场，这种非常有益的比例关系都成立。
2017-02-13 astro-ph.HE gr-qc
Numerical investigation of kinetic turbulence in relativistic pair plasmas I: Turbulence statistics
我们描述了在无碰撞，磁化，相对论对等离子体驱动湍流的粒子模拟的结果。这一物理机制为研究动力学湍流的基本性质提供了一个简单的环境，并与脉冲星风、星云和天体物理喷流等高能天体物理系统有关。在本文中，我们调查的湍流起伏的统计模拟格子上的$1024^3$细胞和包含多达$2 \times 10^{11}$粒子。由于在我们的模拟中没有冷却机制，湍流能量耗散在几个动力学时间内将磁化参数降低到有序统一，导致湍流运动成为亚相对论。在发展阶段，我们的结果与磁流体动力学湍流现象学在惯性尺度上的预测一致，包括指数接近$-5/3$的幂律磁能谱，由临界平衡描述的涨落的尺度相关各向异性，粒子密度和内能密度的对数正态分布（与$4/3$绝热指数相关，如对超相对论性理想气体所预测的），以及不稳定性的存在。我们还提出了可能的签名的动力级联通过测量幂律谱的磁，电，和密度波动在次拉莫尔尺度。
2017-09-14 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Particle acceleration in relativistic turbulence: A theoretical appraisal
我们讨论的物理随机粒子加速相对论磁流体动力学（MHD）湍流，结合数值模拟的测试粒子加速合成波湍流谱与详细的分析估计。特别是，我们研究粒子加速在波动各向同性快模式湍流，在Alfvén和缓慢的Goldreich-Sridhar型波湍流（适当占各向异性效应），包括共振加宽由于波衰减和俯仰角随机化。在高粒子刚性下，这三种模式对加速度的贡献在一个数量级内相当，这是几种效应的组合（快模式的渡越时间阻尼部分消失，Alfvén和慢模式由于共振加宽而增加的散射率）。此外，我们提供的分析参数超过政权的MHD波湍流的加速度，解决问题的非共振加速的结构，而不是波组成的湍流，以及在小规模的平行电场的加速度的问题。最后，我们将我们的结果与现有文献进行比较，并提供了适用于高能天体物理现象学的现成公式。
2020-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic Tearing and Drift-kink Instabilities in Two-fluid Simulations
采用二维两流体相对论磁流体力学方法，研究了无碰撞相对论对等离子体中电流片的稳定性。特别是，我们研究了撕裂和漂移扭结模式的线性增长的电流片和没有引导场，并获得的增长率是非常相似的，已经发现在相应的PIC模拟。这表明，双流体模拟可以在研究涉及磁重联的天体物理相对论等离子体的大尺度动力学问题是有用的。
2016-02-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulent Reconnection in Relativistic Plasmas And Effects of Compressibility
本文利用三维相对论电阻磁流体力学模拟研究了湍流对相对论等离子体中磁重联的影响。我们发现，由于湍流效应类似于非相对论的情况下，重新连接率成为独立的等离子体电阻率。我们还发现可压缩湍流效应修正了非相对论不可压缩等离子体中预测的湍流重联率;当注入速度接近Alfvén速度时，重联率饱和甚至衰减。结果表明，当Alfvén马赫数达到约$0.3$时，当可压缩分量变为不可压缩模式的一半时，可压缩性不容忽视。所获得的最大重连率约为$0.05$至$0.1$，如果注入规模与片材长度相当，则其将能够达到约$0.1$至$0.2$。
2015-10-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Turbulence Mode Decomposition and Anisotropy in Magnetically Dominated Collisionless Plasmas
University of Florida（佛罗里达大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）
研究相对论性湍流在磁主导非碰撞等离子体中的湍流模和各向异性，扩展Cho和Lazarian(2002)方法分解非相对论磁流体动力学湍流为阿尔芬、快和慢模，发现阿尔芬和慢模符合Goldreich和Sridhar(1995)标度，快模则各向同性。
2026-04-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Spectral and Intermittency Properties of Relativistic Turbulence
利用高分辨率数值模拟研究了长波长速度波动接近光速时可压缩流体中的各向同性湍流。光谱分析揭示了相对论运动的惯性子范围，具有广泛的5/3指数。提出了基于四速度的广义洛伦兹协变结构函数。这些结构函数扩展了She-Leveque模型的相对论性制度的不稳定性。
2013-01-03 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Intermittency and Dissipative Structures Arising from Relativistic Magnetized Turbulence
本研究通过广义She-Leveque模型分析相对论磁化湍流的间歇性，揭示耗散结构维数与填充率随磁化强度和磁场涨落的变化，为包含相干结构粒子加速的新理论提供依据。
2024-03-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Kinetic turbulence in relativistic plasma: from thermal bath to non-thermal continuum
我们提出的结果，从粒子在细胞模拟驱动湍流磁化，无碰撞，相对论对等离子体。我们发现，波动是一致的经典$k_\perp^{-5/3}$磁能谱在流体尺度和陡峭的$k_\perp^{-4}$频谱在亚拉莫尔尺度，其中$k_\perp$是波矢垂直于平均场。我们展示了一个非热的，幂律粒子能量分布，$f(E) \sim E^{-α}$，与指数$α$，随着磁化强度的增加而减少，并随着系统的大小增加（相对于特征拉莫尔半径）的发展。我们的模拟表明，湍流可以是一个可行的高能天体物理系统，如脉冲星风星云的高能粒子源，如果缩放渐近系统的大小变得不敏感。
2017-01-13 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Studying the mirror acceleration via kinetic simulations of relativistic plasma turbulence
University of Florida（佛罗里达大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）
本文通过三维粒子-网格模拟研究了相对论湍流中镜面加速机制，发现粒子在镜面作用下获得显著能量增益，其动量增益方向垂直于局部磁场并正相关于磁场增强。
2026-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Guide-Field-mediated Multiscale Instabilities in Relativistic Reconnection
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间气科学研究院）；Dartmouth College（达特茅斯学院）；University of Maryland（马里兰大学）；Canadian Institute for Theoretical Astrophysics（加拿大理论天体物理研究所）
研究聚焦于电子-离子等离子体中三维相对论重联中引导场对磁能耗散、电流片动力学和非热粒子加速的影响，通过粒子-网格模拟双Harris电流片，探讨离子磁化率和引导场强度如何调控整体磁能耗散。
2026-05-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration in Alfvénic turbulence with a strong guide field
University of Wisconsin at Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Space Science Institute（太空科学研究所）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
针对强引导场下传统粒子加速机制无法解释非热粒子分布的问题，研究提出粒子在电荷匮乏电流片中被加速，该电流速度近光速，相关分布服从对数正态统计，为非热粒子分布提供了新机制。
2026-11-10 astro-ph.GA astro-ph.HE
Production and persistence of extreme two-temperature plasmas in radiative relativistic turbulence
湍流是激发无碰撞天体物理等离子体中电子和离子的主要过程，因此负责塑造它们的辐射特征（光度，光谱和可变性）。为了更好地理解无碰撞辐射等离子体受外部驱动的湍流的动力学性质，我们调查的粒子在细胞模拟的相对论等离子体湍流与外部逆康普顿冷却作用于电子。我们发现，离子不断升温，而电子逐渐冷却（由于辐射的净效应），因此离子与电子的温度比$T_i/T_e$随时间增长。我们发现，$T_i/T_e$是有限的，只有模拟的大小和持续时间（达到$T_i/T_e \sim 10^3$），表明没有有效的碰撞机制的电子-离子热耦合。这一结果对辐射效率低下的吸积流模型有影响，例如在银河系中心和M87中观察到的，所谓的具有$T_i/T_e \gg 1$的双温等离子体被用来解释它们的低光度。此外，我们发现，电子获得准热分布（由湍流粒子散射和辐射冷却的竞争决定），而离子进行有效的非热加速（获得比等效非辐射模拟更硬的分布）。有一个适度的非热人口的高能电子束间歇地在空间，时间和方向;这些电子束可以解释快速耀斑在某些高能天体物理系统（例如，银河中心（Galactic Center）这些数值结果表明，极端的双温等离子体可以产生和维持的相对论辐射湍流。
2020-07-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Inverse cascade of non-helical magnetic turbulence in a relativistic fluid
对非螺旋相对论磁流体动力学湍流的自由衰减进行了数值研究，发现自由衰减过程中存在磁能向大尺度的级联现象。磁能谱$P_M(k,t)$的演化在时间上是自相似的，并且通过具有分别非常接近于$7/2$和$-2$的亚惯性和惯性范围指数的破幂律来很好地建模。磁相干尺度被发现增长的时间为$t^{2/5}$，太慢，占光学偏振的伽马射线暴余辉发射，如果要提供的磁能只有在微物理长度尺度。在相对论性磁流体湍流中没有观测到突发性或爆炸性的能量损失，这限制了磁重联模型对GRB瞬发辐射、耀变体和蟹状星云的快速时变。
2014-09-30 astro-ph.HE
Kinetic Simulations of Imbalanced Turbulence in a Relativistic Plasma: Net Flow and Particle Acceleration
湍流高能天体物理系统通常具有不对称的能量注入：例如，阿尔芬波从吸积盘传播到其日冕。这样的系统是“不平衡的”：与大尺度磁场平行和反平行的能通量是不相等的。在过去，不平衡湍流的数值研究主要集中在磁流体力学制度。在本研究中，我们使用三维粒子池（PIC）模拟研究了无碰撞、超相对论热、磁化对等离子体中的外部驱动不平衡湍流。我们发现，注入的电磁动量有效地转换成等离子体动量，导致净运动沿背景磁场的速度高达光速的一个显着的分数。这一发现对吸积盘风的发射具有重要意义。我们还发现，虽然在不平衡湍流中的粒子加速比在平衡湍流中的时间尺度更慢，但它最终会产生类似于平衡湍流的幂律能量分布。我们的研究结果对黑洞吸积盘日冕、风和喷流都有影响。
2021-12-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Acceleration of Relativistic Electrons by MHD Turbulence: Implications for Non-thermal Emission from Black Hole Accretion Disks
我们使用分析估计和数值模拟的测试粒子与磁流体动力学（MHD）湍流相互作用，以表明亚音速MHD湍流产生有效的相对论粒子的二阶费米加速。这种加速不能用标准的准线性理论很好地描述，而是MHD湍流中波粒相互作用共振展宽的结果。我们提供的动量扩散系数，可用于天体物理和日光层的应用，并讨论我们的吸积流到黑洞的结果的影响。特别是，我们表明，在辐射效率低的吸积流的亚音速湍流粒子加速可以产生一个非热尾的电子分布函数，这可能是重要的建模和解释发射低光度系统，如Sgr A* 和M87。
2014-07-27 astro-ph.HE
Particle acceleration in relativistic Alfvénic turbulence
该研究分析相对论性无碰撞等离子体中强磁主导阿尔文湍流的粒子加速机制，指出湍流涨落与导向场的相对强弱决定能量分布呈对数正态或幂律尾部。
2024-05-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Numerical Simulations of Driven Relativistic MHD Turbulence
各种各样的天体物理现象都涉及具有相对论速度或能量密度的湍流磁化气体的流动。例子包括伽马射线暴、活动星系核、类星体、磁星、微类星体、合并中子星、X射线双星、一些超新星和早期宇宙。为了阐明这些系统中存在的相对论磁流体动力学（RMHD）湍流的基本性质，我们提出了充分发展的驱动湍流在相对论温暖，弱磁化和温和的可压缩理想流体的数值模拟结果。我们使用高阶Goddom程序在1024^3区域的均匀网格上对RMHD方程进行了多次动力学演化。我们观察到的增长的磁能从种子场通过饱和在约1%的总流体能量。我们计算了速度和密度加权速度的功率谱，并得出结论，惯性标度与-5/3的斜率一致。我们计算了p阶至11阶的纵向和横向速度结构函数，并讨论了它们与非相对论介质预期标度的可能偏差。我们还计算了相干速度结构相对于局部磁场的尺度依赖性失真，发现一个较弱的尺度依赖性比预期的不可压缩的非相对论流具有较强的平均场。
2011-09-19 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Scaling Relations in Two-Dimensional Relativistic Hydrodynamic Turbulence
本文导出了惯性尺度范围内二维相对论性流体动力学湍流的精确标度关系。我们考虑了大尺度的能量级联和小尺度的涡度拟能级联。我们说明了这些关系的湍流弱可压缩流的数值模拟。有趣的是，流体-引力对应关系意味着时空中具有反德西特渐近性的引力场应该表现出类似的标度关系。
2015-10-06 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Synchrotron-Regulated Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence: Emission, Polarization, and Faraday Rotation
Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；University of Maryland（马里兰大学）；Stanford University（斯坦福大学）
该研究通过相对论磁流体动力学模拟结合同步辐射冷却，探究高能天体物理系统中湍流与辐射的关联，发现模拟结果与快速射电暴等天体观测定性相似，揭示湍流在高能天体源辐射及传播效应中的重要作用。
2026-08-18 astro-ph.HE
Three-Dimensional Simulations of MHD Turbulence Behind Relativistic Shock Waves and Their Implications for GRBs
相对论天体物理现象，如伽马射线暴（GRB）和活动星系核，往往需要长寿命的强磁场。在这里，我们报告的三维特殊相对论磁流体动力学（MHD）模拟探索放大和衰减的宏观湍流发电机激发所谓的里希特迈尔-梅什科夫不稳定性（RMI;瑞利-泰勒型不稳定性）。这种不稳定性是激波与周围密度波动相互作用的必然结果。我们发现，在几个涡流周转时间的磁能指数增长，然后，随着动能湍流的衰减，衰减的时间幂律指数为-0.7。磁能分数可以达到$epsilon_B \sim$ 0.1，但取决于初始磁场强度。我们发现，磁能增长至少两个数量级相比，立即后面的冲击的磁能。这种最小程度的放大并不取决于初始密度波动的幅度，而生长时间尺度和最大磁能取决于密度的不均匀程度。从Kolmogorov级联到MHD临界平衡级联的转变发生在初始不均匀性尺度的$\sim$ 1/10处，这限制了最大同步极化小于2%。新的结果包括避免与RMI湍流的电子冷却，湍流光球模型通过RMI，和浅衰减的早期余辉从RMI。我们还对具有相对论速度弥散的自由衰减湍流进行了模拟。我们发现，相对论湍流开始衰减的速度远远超过一个涡周转时间，因为快速的冲击耗散，这不支持Narayan和Kumar的相对论湍流模型。
2011-03-02 astro-ph.HE
System-size convergence of nonthermal particle acceleration in relativistic plasma turbulence
我们应用相对论对等离子体的无碰撞粒子模拟来探索驱动湍流是否是一种可行的高能天体物理粒子加速器。我们表征非热粒子分布为不同的系统尺寸高达$L/2πρ_{e0} = 163$，其中$L/2π$是驱动规模和$ρ_{e0}$是初始特征拉莫尔半径。我们表明，湍流粒子加速产生幂律能量分布，当在一个固定数量的大规模的动力学时间比较，慢慢陡峭的系统尺寸的增加。然而，我们证明，收敛是通过比较在不同的时间，随着系统的大小增加（近似地）的分布。我们认为，系统大小的依赖性来自粒子通过费米加速达到最高可达能量所需的时间。能量分布的收敛幂律指数，即磁化强度$σ= 3/8$的$α\approx 3.0$，使得湍流成为在蟹状星云等系统中观测到的非热光谱的一种可能解释。
2018-05-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Numerical Simulations of Driven Supersonic Relativistic MHD Turbulence
GRB外流模型在相对论热磁化流体中引起湍流。为了研究这些条件，我们进行了高分辨率的相对论磁流体动力学（RMHD）湍流的三维数值模拟。我们发现，磁场能量被放大到百分之几的总能量密度的湍流扭曲和折叠的磁场线。因此，自然期望接近1%的α_B值。研究了饱和磁场能量分数随马赫数和相对论温度的变化关系。然后，我们提出的湍流动能和磁能的功率谱。我们还提出了螺线管（卷曲状）和发散（发散状）功率谱的动能。我们建议，相对论效应引入这些光谱分量之间的新的耦合。我们最详细地探讨的情况是等量的热能和静止质量能量，对应于壳碰撞后的条件，相对洛伦兹因子为几个。这些条件是相关的模型内的冲击，为后期余辉阶段，茧材料沿边缘的相对论性喷流，因为它通过一个明星传播，以及中子星合并彼此和与黑洞同伴。我们发现，相对论性湍流衰减非常快，在一个声音的交叉时间的涡流。因此，调用持续的相对论性湍流来解释伽玛射线暴瞬发变化的模型是非常不受欢迎的，除非在瞬发持续期间保持湍流的持续驱动。
2011-09-28 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Two Dimensional Turbulence in a Massless Fluid with a Relativistic Lattice Boltzmann Model
本文提出一种相对论格子玻尔兹曼模型，用于模拟二维无质量流体的湍流行为，并通过零平均搅拌力验证其流动特性，有望应用于石墨烯和Kagome晶格中的电子流体定量模拟。
2021-01-15 astro-ph.HE cond-mat.str-el nucl-th
General Relativistic Neutrino-Driven Turbulence in One-Dimensional Core-Collapse Supernovae
核心坍缩超新星（CCSNe）中的对流和湍流本质上是三维的。然而，CCSNe的3D模拟在计算上要求很高。因此，它是有价值的，以修改模拟在球对称纳入3D效果使用一些参数模型。在本文中，我们报告的制定和实施的广义相对论（GR）中微子驱动的湍流对流的球对称核心坍缩超新星代码\texttt{GR1D}。这是基于最近提出的来自\cite{Couch2020_STIR}的牛顿模拟中的降维超新星湍流（\textit{STIR}）方法。当这个模型的参数被校准到3D模拟，我们发现，我们的GR制定的\textit{STIR}需要更大的湍流涡旋，以实现类似于原来的\textit{STIR}模型的冲击演变。我们还发现，广义相对论可能会改变祖质量和成功与~之间的对应关系。失败的爆炸
2021-02-12 astro-ph.HE
Collisionless Relativistic Shocks:current driven turbulence and particle acceleration
本文介绍了中等磁化强度的无碰撞相对论激波的物理性质。微观物理学与解释自然界中能量最大的辐射现象，即伽马射线暴的终止激波有关。当磁化强度在临界值附近降低时，会发生向费米过程的转变，这是散射打破平均场抑制的条件。散射是由返回粒子所携带的电流驱动的磁微湍流产生的，这一点到目前为止还没有被考虑过，但事实证明它比魏贝尔在跃迁周围的磁场更强烈。水流还对来流的运动产生缓冲作用，湍流的起始阈值取决于来流的运动。
2014-01-28 astro-ph.HE
Theory and Applications of Non-Relativistic and Relativistic Turbulent Reconnection
由于雷诺数极高，现实的天体物理环境是湍流的。因此，描述天体物理重联的重联理论不应忽略湍流对磁重联的影响。湍流是众所周知的改变许多物理过程的性质显着，在这篇评论中，我们声称，磁重联是不是一个例外。我们强调，不仅天体物理学上的湍流是普遍存在的，而且磁重联本身也会引起湍流。因此，在任何现实的天体物理重联设置中，都必须考虑湍流。我们认为，由于MHD湍流在相对论和非相对论的情况下的相似性的磁重联理论的非相对论的情况下，可以扩展到相对论的情况下，我们提供的数值模拟支持这一猜想。我们还提供了定量的理论预测和数值实验结果的比较，包括湍流重联是自驱动的情况下，即在系统中的湍流是由重联过程本身产生的。我们展示了如何湍流重联需要违反磁通量冻结，这一结论，有真正深远的影响，许多现实的湍流天体物理环境。此外，我们考虑湍流重联的观测测试以及理论的许多影响。前者包括太阳和太阳风的重联，后者包括湍流重联引起的重联扩散过程、高能粒子的加速、与黑洞源有关的湍流重联爆发以及伽马射线暴。最后，我们解释了为什么湍流重联不能解释的湍流电阻率或通过平均场的方法。
2015-12-09 astro-ph.HE
First-principles demonstration of diffusive-advective particle acceleration in kinetic simulations of relativistic plasma turbulence
非热相对论等离子体普遍存在于脉冲星风星云和活动星系核等天体物理系统中，从它们的发射光谱可以推断。传统上，粒子加速（NTPA）的非热过程是用动量空间中的Fokker-Planck（FP）扩散-平流方程来模拟的。在本文中，我们直接测试的FP框架在从头算动力学模拟驱动磁化湍流在相对论对等离子体。通过统计分析跟踪粒子的运动，我们证明了NTPA的扩散性质，并测量FP能量扩散（$D$）和平流（$A$）系数作为粒子能量$γm_e c^2$的函数。我们发现，$D(γ)$的规模为$γ^2$在高能量的非热尾，符合二阶费米加速理论，但有一个更弱的标度在较低的能量。我们还发现，$A$是不可忽略的，并减少NTPA的倾向于拉粒子的粒子能量分布的峰值。这项研究为湍流NTPA的FP图像提供了强有力的支持，从而增强了我们对空间和天体物理等离子体的理解。
2020-03-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Effect of the Nuclear Equation of State on Relativistic-Turbulence Induced Core-Collapse Supernovae
核物质状态方程是核塌缩超新星演化的重要组成部分。在本文中，我们做了各种状态方程在文献中的调查，并分析它们的球形核心崩溃模型的效果，其中三维湍流的影响是由一个广义相对论的超新星湍流降维（STIR）公式模拟。我们表明，爆炸的可行性是很EOS依赖，它最好的相关性与早期的内部熵密度的原始中子星。我们检查，这一结果是不祖依赖，虽然低质量的祖细胞显示不同的爆炸性能，由于不同的崩溃前的核组成。在我们的一维湍流模型中，较大的中心熵也会引起更剧烈的原中子星对流，以及更宽的对流层。
2022-01-17 astro-ph.HE nucl-th
