PIC Simulation Methods for Cosmic Radiation and Plasma Instabilities
无碰撞等离子体系统中的粒子加速问题是天体等离子体和天体粒子物理学的核心问题。加速区域的结构、电子-离子能量平衡、冲击时粒子的预加速以允许扩散冲击加速的进一步加速，除了电磁场的结构和动力学之外，还需要粒子分布函数的知识，因此动力学描述是可取的。粒子模拟提供了一个适当的，如果计算昂贵的方法，基本上进行数值实验，探索无碰撞等离子体中的动力学现象。我们回顾最近的天体物理等离子体系统，粒子加速和形状的不稳定性的PIC模拟结果。
2019-12-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Identification of electrostatic two-stream instabilities associated with a laser-driven collisionless shock in a multicomponent plasma
静电双流不稳定性在静电无碰撞激波形成中起着重要作用。它们是一种关键的耗散机制，导致离子加热和加速。由于冲击加速离子的数量和能量取决于不稳定性，因此精确识别主动不稳定性是重要的。二维粒子在细胞模拟多组分等离子体揭示离子反射和加速在冲击波前，激发纵向传播的静电不稳定性，由于非振荡分量的静电场在上游地区的冲击，和产生向上和向下移动的速度分量内的扩展离子组件。使用一维静电等离子体色散函数，其中包括电子和离子的温度效应，C2 H3Cl等离子体的不稳定性的线性分析表明，最不稳定的模式是静电离子束双流不稳定性（IBTI），这是弱依赖于电子的存在。IBTI是由膨胀的质子和碳离子群体之间的速度差激发的。有一个静电电子-离子双流不稳定性与一个小得多的增长率与人口的质子在冲击反射。与激光驱动的无碰撞冲击相关联的快速增长的IBTI的激发增加了准单能离子束的亮度。
2021-10-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Microphysics of cosmic ray driven plasma instabilities
高能非热粒子（宇宙射线，CR）在超新星遗迹、相对论喷流和其他天体物理物体中被加速。CR能量密度通常与热组件和磁场的能量密度相当。在这篇综述中，我们讨论的磁场放大的机制，由于不稳定性引起的CR。我们推导出控制宇宙等离子体系统的CR动力学和磁流体动力学方程，该系统包括热背景等离子体、连环画射线和波动磁场，以研究CR驱动的不稳定性。共振和非共振不稳定性，包括贝尔短波不稳定性，和消防水龙带不稳定性进行了审查。特别注意的是长波不稳定性驱动的CR电流和压力梯度。螺旋度生产的CR电流驱动的不稳定性进行了讨论与宇宙磁场放大的发电机机制。
2013-04-26 astro-ph.HE
PIC Simulations of Continuously Driven Mirror and Ion Cyclotron Instabilities in High Beta Astrophysical and Heliospheric Plasmas
我们使用粒子模拟（PIC）来研究离子速度空间不稳定性在一个理想化的问题，其中的背景速度剪切连续放大的磁场的非线性演化。我们模拟的天体物理学相关的制度，剪切时间尺度是长的离子回旋周期相比，等离子体β是~ 1-100。在我们的计算中，背景场放大是为了模拟湍流波动或MHD尺度不稳定性等过程。场放大持续驱动压力各向异性，垂直压力大于平行压力，并且等离子体变得不稳定到镜像和离子回旋不稳定性。在所有情况下，非线性状态是占主导地位的镜像不稳定性，而不是离子回旋不稳定性，和等离子体压力各向异性饱和的线性镜像不稳定性的阈值附近。磁场波动最初经历指数增长，但在长期阶段中饱和，其中波动在与背景磁场相同的时间尺度上增长（长期阶段中δB约为0.3<B>）。在早期，离子磁矩是很好的守恒的，但是一旦波动幅度超过δB ~ 0.1<B>，磁矩就不再守恒，而是在与平均磁场的时间尺度相当的时间尺度上变化。我们讨论了低碰撞天体物理等离子体，包括近地太阳风和低光度吸积盘周围的黑洞的影响，我们的结果。
2015-01-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The role of plasma instabilities in relativistic radiation mediated shocks: stability analysis and particle-in-cell simulations
相对论辐射介导激波（RRMS）可能在巨大的宇宙爆炸中形成。这种激波的结构和发射受激波过渡层内大量产生的电子-正电子对的调节。最近有人指出，大量的正电子内的冲击导致不同的等离子体成分的速度分离，这是预期诱导等离子体不稳定性的快速增长。本文研究了电子-离子等离子体在辐射力作用下的微不稳定性增长的层次结构。线性稳定性分析表明，这样的系统是不稳定的各种等离子体模式的增长，最终成为占主导地位的离子和对之间的相对漂移驱动的电流抑制不稳定性。这些结果是验证粒子在细胞模拟，进一步探测的非线性制度的不稳定性，和对离子耦合的微湍流电磁场。基于这种分析，我们推导出一个减少的传输方程的粒子通过俯仰角散射的微湍流，并证明它可以耦合不同的物种，并导致非绝热压缩通过焦耳加热。加热的对，可以想象，非热分布的形成，所产生的微湍流，可以影响所观察到的冲击爆发信号的方式无法解释目前的单流体模型。
2022-01-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonlinear development of electron-beam-driven weak turbulence in an inhomogeneous plasma
本文给出了非均匀非等温等离子体中电子注作用下朗缪尔波和离子-声波湍流的自洽描述。对非均匀非磁化等离子体，给出了电子、朗缪尔波和离子-声波动力学方程的完整数值解。结果表明，非均匀性的存在显著改变了系统的整体演化。这种不均匀性可以有效地改变朗缪尔波的波数，从而可以在不同的弱湍流状态之间切换。结果可以应用到各种等离子体条件下，我们选择太阳日冕参数作为例子，在进行数值分析。
2019-03-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
PIC Simulations of the Effect of Velocity Space Instabilities on Electron Viscosity and Thermal Conduction
在低碰撞性等离子体中，速度-空间不稳定性是提供等离子体有效碰撞性的关键机制。我们使用粒子在细胞（PIC）模拟研究电子和离子尺度的速度空间不稳定性和它们对电子压力各向异性，粘性加热和热传导的影响之间的相互作用。如果磁场$\vec{B}$被放大（$p_{\perp,j}$和$p_{||,j}$表示垂直和平行于$\vec{B}$的物质$j$ [电子、离子]的压力），低碰撞性等离子体中磁矩的绝热不变性导致压力各向异性$p_{\perp,j} > p_{||,j}$。如果产生的各向异性足够大，它可以反过来触发小尺度等离子体不稳定性。我们的PIC模拟探索的非线性制度的镜子，离子回旋，电子哨声不稳定性，通过连续放大的磁场$|\vec{B}|$在等离子体中施加剪切。在制度$1 \lesssim β_j \lesssim 20$（$β_j \equiv 8πp_j/|\vec{B}|^2$），饱和电子压力各向异性，$Δp_e/p_{||,e}$，主要是由（电子长度尺度）哨声边缘稳定性条件，与适度的因素$\sim 1.5-2$减少由于电子的捕获镜。我们明确地计算了电子和离子沿平均磁场的平均自由程，并提供了一个简单的物理处方的平均自由程和热导率在低碰撞$β_j \gtrsim 1$等离子体。我们的研究结果意味着，速度空间不稳定性可能会降低大质量，热，星系团的外部等离子体的热导率。我们还讨论了我们的结果的…
2016-08-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Numerical investigation of plasma-driven superradiant instabilities
在等离子体中传播的光子获得有效质量$μ$，其由等离子体频率给出并且与等离子体密度的平方根成比例。正如康伦和赫代罗之前所指出的，对于电子数密度$n_e\sim 10^{-3}$ cm $^{-3}$（例如在星际介质中测量的那些），等离子体诱导的有效质量是$μ\sim 10^{-12}$ eV。这将导致几十个太阳质量的旋转黑洞的超辐射不稳定性。这幅图的一个明显问题是，由于吸积作用，黑洞附近的密度比星际介质中的密度高得多。为了模拟吸积效应，我们对旋转的黑洞中的超辐射不稳定性进行了数值模拟，等离子体的密度随着离黑洞的距离的增加而增加。虽然我们证实，超辐射不稳定性出现的等离子体密度足够低的黑洞附近，我们发现，天体物理现实的吸积盘是不可能触发这样的不稳定性。
2020-07-22 astro-ph.HE gr-qc
Firehose and Mirror Instabilities in a Collisionless Shearing Plasma
采用混合动力学方法对无碰撞等离子体中的水龙带不稳定性和镜像不稳定性进行了数值模拟，其中压力各向异性是由持续线性剪切$S$改变磁场而驱动的。对于一个减少的字段，它被发现，主要是斜消防水龙带波动增长在离子拉莫尔尺度和饱和的能量$\sim$ $S^{1/2}$，压力各向异性钉扎在稳定性阈值的粒子散射的微尺度波动。相比之下，非线性镜波动较大的离子拉莫尔规模和增长世俗的时间;边际是由越来越多的人口共振粒子被困在磁镜。在一个剪切时间后，形成饱和的有序统一磁镜，并且粒子从它们的尖锐边缘散射。这两种不稳定性驱动亚离子拉莫尔尺度波动，这似乎是动力学阿尔文波湍流。我们的研究结果影响了天体物理和空间等离子体中的动量和热量传输理论，其中磁场的剪切拉伸是一个通用的过程。
2014-05-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Buoyancy Instabilities in Degenerate, Collisional, Magnetized Plasmas
在低碰撞等离子体中，由于磁场的各向异性热传导导致任何非零温度梯度的浮力不稳定性。我们研究了简并{ \it碰撞}等离子体中类似的不稳定性，即，当电子碰撞频率比电子回旋频率大时。虽然热传导在这个极限下几乎是各向同性的，但是小的残余各向异性确保了碰撞简并等离子体也是对流不稳定的，与温度梯度的符号无关。我们发现，不稳定的波长范围是独立的磁场强度，而生长时间随磁场强度降低而增加。我们讨论了这些碰撞浮力不稳定性在白矮星和中子星中的应用。简并等离子体的磁张力和低比热极大地限制了它们的有效性;最有希望的生长场所是年轻的弱磁化中子星（$B \lesssim 10^9$ G）的液体海洋和年轻的高磁场白矮星（$B \sim 10^9$ G）的核心。
2009-09-16 astro-ph.HE astro-ph.SR
Quasistatic modeling of ultrarelativistic beam-plasma instabilities
Universidade de Lisboa（里斯本大学）；École polytechnique（巴黎综合理工学院）；Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Helmholtz-Institut Jena（亥姆霍兹耶拿研究所）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）
研究相对论性粒子束在等离子体中的不稳定性，提出统一全电磁准静态模型，不采用SVEA，发现新的时空CFI在前沿占主导，能捕捉多种不稳定性增长，经与粒子模拟比较，证实该模型对相关不稳定性建模的有效性。
2026-07-28 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron polarization in ultrarelativistic plasma current filamentation instabilities
研究了超相对论电子束撞击过密等离子体的等离子体电流分布，着重研究了辐射诱导电子极化。粒子模拟提供了三种不同制度的电流丝，即，正常的灯丝，异常灯丝，和淬火制度的分类和深入的分析。我们发现，电子辐射极化出现在沿方位角方向的动量空间，这显着不同的制度的不稳定性。我们提出了一个直观的哈密顿模型来追踪电子极化动力学的起源。特别是，我们辨别的作用，非线性横向运动的等离子体细丝，这会导致辐射自旋翻转的不对称性，产生积累的电子极化。我们的研究结果打破了传统的看法，即准对称场是低效的产生辐射自旋极化光束，这表明电子极化的实验室和天体物理等离子体不稳定性的新信息的来源的潜力。
2022-12-06 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.acc-ph
Plasma instabilities as a result of charge exchange in the downstream region of supernova remnant shocks
超新星遗迹（SNRs）的H-α辐射意味着星周介质中存在中性氢。一些穿过激波的中性粒子通过电荷交换过程被电离，在激波下游形成冷离子束。我们进行线性分析之间的冷束和热下游等离子体的无碰撞等离子体不稳定性。我们发现，在典型的信噪比条件下，无论是共振不稳定性或韦伯不稳定性是最不稳定的。这种机制可以将磁场放大到100微G以上，并改变激波结构。因此，除了广泛讨论的贝尔机制外，射电频谱和大磁场也可以得到解释。
2009-08-24 astro-ph.HE
Impact of Plasma Instabilities and of the Intergalactic Magnetic Field on Blazar-Induced Electromagnetic Cascades
本研究探究星系间弱磁场与等离子体不稳定性对耀变体诱导电磁级联的影响，通过数值模拟结合两者作用分析耀变体1ES 0229+200的伽马射线谱印记。
2025-09-21 astro-ph.HE
Magnetars and the Chiral Plasma Instabilities
我们提出了一种可能的新机制，即手征等离子体不稳定性，它是由于电子手征不平衡引起的致密星强而稳定的磁场。在超新星核塌缩过程中，伴随着宇称破缺的弱过程，不可避免地会出现大的电子手征不平衡。我们估计，由于这种不稳定性的最大磁场的数量级为10^{18} G的核心。这种机制自然地从手征不对称性产生大的磁螺旋度，这确保了大磁场的稳定性。
2014-02-19 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
The Impact of Plasma Instabilities on the Spectra of TeV Blazars
来自耀变体的相对论喷流被认为是极高能伽马射线（VHEGRs）的来源。在星系际空间传播过程中，VHEGR与普遍存在的宇宙光子场（如河外背景光（EBL）和宇宙微波背景（CMB））相互作用，产生电子-正电子对。这些对可以通过逆康普顿散射将CMB/EBL光子向上散射到高能量，从而继续级联过程。这通常用于设定星系际磁场（IGMF）的极限。然而，如果等离子体不稳定性，由于对与星系际介质（IGM）的相互作用而产生，冷却电子/正电子的速度比逆康普顿散射更快，那么情况可能会改变。因此，在低于$\sim$ 100 GeV的能量下，这些对损失到IGM的动能可能会导致观测到的伽马射线谱硬化。在这里，我们研究几种类型和模型的不稳定性和评估其影响解释观测遥远的耀变体。我们的研究结果表明，等离子体不稳定性可以描述一些耀变体的光谱和模仿IGMF的效果，取决于参数，如本征光谱的对象，密度和温度的IGM，和光束的光度。另一方面，我们发现，对于我们的基准参数等离子体不稳定性的光谱研究的一些耀变体没有重大影响。因此，它们可用于约束IGMF。
2019-09-29 astro-ph.HE
Magnetofluid dynamics of magnetized cosmic plasma: firehose and gyrothermal instabilities
磁化弱碰撞宇宙等离子体的全球动力学和湍流描述的一般磁流体方程，包含压力各向异性和热通量，必须从微观等离子体动力学理论计算。它表明，即使没有详细的计算的压力各向异性或热通量，人们发现宏观尺度的动力学是一般不稳定的微尺度Alfvenically极化波动。两个不稳定性被认为是详细的：平行消防水龙带不稳定性（包括有限拉莫尔半径的影响，确定最快的增长模式）和gyrotothermal不稳定性（GTI）。后者是一个新的结果-它表明，平行的离子热通量不稳定Alfvenically极化波动，即使在没有所需的消防水管的负压各向异性。主要结论是，压力各向异性和热通量触发等离子体微不稳定性，因此，它们的值将可能由这些不稳定性的非线性演化。理解这种非线性演化的想法进行了讨论。认为宇宙等离子体一般是“三尺度系统”，包括全球动力学、中尺度湍流和微尺度等离子体涨落。天体物理学的例子被认为是冷核心的星系团，它是注意到，观察点在集群中的湍流是在一个边缘状态相对于等离子体微不稳定性，所以它是等离子体微物理学，是可能设置的加热和传导性能的内集群介质。特别是，推导出GTI所隐含的温度波动的规模上的下限。
2010-06-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
A comment on "Importance of resolving the spectral support of beam-plasma instabilities in simulations" by M. Shalaby et al
了解束流-等离子体系统的物理特性对于许多天体物理系统具有重要意义。最近，Shalaby等人（2017）对这些系统的粒子模拟的有效性提出了质疑。我们分析了一个特定的束等离子体及其数值模拟Kempf等人（2016），该数值模拟已被批评，并证明实际上进行的模拟满足Shalaby等人（2016）引入的新有效性标准。
2017-07-25 astro-ph.HE
Plasma-photon interaction in curved spacetime II: collisions, thermal corrections, and superradiant instabilities
受电磁场约束由于等离子体附近的吸积黑洞，我们继续我们的探索的线性动力学的电磁场在弯曲的时空中传播的等离子体的存在，包括三个影响，被忽略在我们以前的分析：碰撞等离子体，热修正，和角动量的背景黑洞时空。我们证明：（i）等离子体驱动的长寿命模在碰撞等离子体中存在，除非碰撞时间尺度小得不切实际;（ii）可能与黑洞周围的吸积盘有关的热效应不影响轴向长寿命模;（iii）在自旋黑洞的情况下，等离子体驱动的模在线性水平上变得超辐射不稳定;（iv）由于等离子体的共振性质，小频率区域中的极性扇区允许反射点。耗散效应，如吸收，等离子体波的形成和非线性动力学在这个共振点附近起着至关重要的作用。
2021-07-02 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
