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
Numerical modeling and physical interplay of stochastic turbulent acceleration for non-thermal emission processes
粒子加速是天体物理和空间等离子体中普遍存在的现象。扩散激波加速（DSA）和随机湍流加速被认为是产生高能粒子的可能机制，特别是在弱磁化区域。在天体物理源中通常观察到不同加速过程的相互作用以及各种辐射损失。DSA是一个系统性的加速过程，在冲击附近激发粒子，而随机湍流加速（STA）是一个随机的激发过程，宇宙射线粒子和电磁波动之间的相互作用导致粒子加速。这个过程通常被解释为能量空间中的有偏随机游走，通过福克-普朗克方程建模。在目前的工作中，我们描述了一种新的欧拉算法，通过将湍流加速DSA和辐射过程，如同步加速器和逆康普顿发射的存在。所开发的框架扩展了成熟的相对论磁流体动力学（RMHD）代码PLUTO中的混合欧拉-拉格朗日模块。通过我们的验证测试和案例研究，我们展示了这两种加速过程的竞争和互补性质。轴对称模拟的RMHD喷流与此扩展的混合框架清楚地表明，由于冲击的排放是本地化的，而由于湍流加速起源于回流，是更分散的，特别是在高能量的X射线波段。
2021-08-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Deep Learning Cosmic Ray Transport from Density Maps of Simulated, Turbulent Gas
本研究利用卷积神经网络仅基于气体密度图分类宇宙射线输运机制，区分流动与扩散输运及扩散率大小，准确率达92%-99%，揭示输运对湍流相位信息的影响。
2024-02-05 astro-ph.GA astro-ph.HE
Particle acceleration at magnetized, relativistic turbulent shock fronts
本文首次通过模拟证明，在轻度相对论性磁化正负电子对激波中，强湍流可在超光速位形下重新激活粒子加速，并产生幂律谱，且高磁化时湍流随机加速可取代激波加速。
2023-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Cosmic-ray propagation in the turbulent intergalactic medium
宇宙射线（CR）可以用来推断介入宇宙磁场的性质。相反，理解磁场对高能CR传播的影响对于阐明其起源至关重要。在目前的工作中，我们调查的作用，集群内的磁场对传播的CR与$10^{16}$和$10^{18.5}$ eV之间的能量。我们寻找可能的签名的CR传播制度的过渡，从扩散弹道。最后，我们讨论的后果，高能量的CRs在集群和超集群的生产伽玛射线和中微子的限制。
2018-11-07 astro-ph.HE
Angular distribution of cosmic rays from an individual source in a turbulent magnetic field
我们得到的角分布的宇宙射线到达观察者从一个单独的源和传播后，通过湍流磁场，源距离和扩散长度之间的不同比例。我们研究了高能量的准直线制度，以及在较低的能量，偏转变大的扩散制度的过渡。我们考虑能量损失的影响，表明它们往往会在给定的能量下增强源的各向异性。我们还讨论了透镜效应，特别是那些可能会导致从正规的银河系磁场组件，并表明，湍流河外磁场的效果可以平滑的发散放大率峰值，将导致在没有湍流偏转的限制点状源。
2016-03-14 astro-ph.HE hep-ph
Bipolar jets launched from magnetically diffusive accretion disks. I. Ejection efficiency vs field strength and diffusivity
我们研究了磁扩散吸积盘的喷流和外流的发射。利用PLUTO程序，我们求解了含时的电阻MHD方程，同时考虑了圆盘和喷流的演化。我们要解决的主要问题是，哪种圆盘能发射喷气机，哪种圆盘不能？特别是，我们研究了（湍流）磁扩散率的大小和分布如何影响质量负荷和射流加速。我们应用了基于α处方的湍流磁扩散率，但也研究了扩散率尺度高度大于圆盘气体压力的例子。我们进一步研究了喷射效率是如何由磁场强度。我们的模拟持续了高达5000动力学时间尺度对应于900个轨道周期的内盘。作为一般的结果，我们观察到一个连续的和强大的外流推出的内部部分的磁盘，扩大到一个准直射流的超快磁音速。对于长时间尺度的磁盘内部动力学的变化，由于外流喷射和磁盘吸积的磁盘质量减少。对于磁离心驱动的射流，我们发现，对于i）较少的扩散盘，ii）较强的磁场，iii）低极向扩散率，或iv）较低的数值扩散率（分辨率），流出的质量负载增加-导致具有高质量通量的更强大的射流。对于弱磁化，（弱）流出由磁压梯度驱动。我们进一步研究了不同发射方案下的射流渐近速度和射流旋转速度。我们发现较低程度的喷流准直比以前的研究，最有可能是由于我们修改的流出边界条件。
2012-07-25 astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Cosmic-ray diffusion in magnetized turbulence
宇宙射线在星际介质和太阳风的湍流电磁场中的散射问题是非常重要的，这是由于所得到的扩散系数的各种应用。例如扩散激波加速、宇宙射线观测，以及太阳系中日冕物质抛射的传播。近年来，人们发现，几十年来一直假设的简单扩散运动与数值和观测结果往往不一致。本文综述了宇宙射线与湍流电磁场的相互作用过程。首先，由于等离子体不稳定性的湍流场的形成进行处理，特别是所产生的不稳定波模式的非线性行为进行了讨论。第二，高能粒子传播的分析和数值方面将提出非线性分析理论和蒙特卡罗模拟审查。以太阳风为例，将讨论各向异性和动力学湍流模型的影响。此外，它将显示如何进一步的并发症，可以治疗所产生的大规模的磁场几何形状和湍流电场。高能粒子的输运特性因此可以用当前的湍流模型来计算，这样它们就可以与太阳风中的测量值进行比较。
2015-05-19 astro-ph.HE physics.space-ph
Importance of thermal diffusion in the gravo-magnetic limit cycle
我们考虑的作用，由于湍流和辐射的热扩散的吸积爆发，发生在原行星盘包含死区。使用1D粘性盘模型，我们表明，扩散的径向热传输是重要的重力磁极限环期间，可以强烈修改的持续时间和频率的吸积爆发。当普朗特数很大时--这样湍流热扩散就不重要了--与没有热扩散传输的模型相比，径向辐射扩散减少了爆发持续时间。当普朗特数是小的（$\lesssim 25$），我们发现，湍流扩散占主导地位的径向运输的热量，减少爆裂持续时间$\lesssim 10^3$年，以及增加爆裂频率。此外，包括径向运输的热量扩大了范围的下降率下，磁盘经历吸积爆发从$10^{-8}$到$10^{-6}$ M $_\odot$年$^{-1}$没有扩散，到$10^{-8}$到$\gtrsim10^{-4}$ M $_\odot$年$^{-1}$与辐射和强湍流扩散。辐射和湍流热扩散的相对作用可能会有所不同，在吸积爆发，但简单的估计表明，预期的普朗特数是10的顺序在原行星盘，因此，湍流扩散很可能是一个重要的过程，在吸积爆发由于重力磁极限循环。
2014-09-15 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Nonlinear transport of Cosmic Rays in turbulent magnetic field
MHD湍流理论和宇宙线观测的最新进展要求对宇宙线输运的范式进行修正。我们采用的是在数值模拟中经过检验的磁流体动力学湍流模型，其中湍流在大尺度下注入，在小尺度下级联。我们将给出宇宙线输运的非线性结果，特别是CRs的跨场输运，并证明宇宙线亚扩散的概念一般不适用，垂直运动可以用具有M_A^4依赖性的正态扩散来很好地描述。此外，在小于湍流注入尺度的尺度上，CRs的输运变得超扩散。对大尺度正扩散和超扩散的定量预测都面临着最近的数值模拟。冲击加速的含义进行了简要讨论。
2013-11-29 astro-ph.HE
Kinetic simulations of turbulent magnetic-field growth by streaming cosmic rays
宇宙射线的有效加速（通过扩散激波加速的机制）需要激波上游区域的湍流、放大的磁场。我们提出的多维粒子细胞模拟的结果，旨在观察磁场放大，预计将产生的宇宙射线电流的冲击，上游的星际介质的属性的影响。我们发现，放大场的初始结构和峰值强度对参数的选择有些敏感，但场的增长在所有情况下都以类似的方式饱和：对宇宙射线的反作用导致其静止坐标系分布的改变以及动量向星际介质的净转移，大大削弱了它们的相对漂移，同时也意味着一个修改后的冲击的发展。上游介质变得湍流，密度和速度有明显的空间波动，特别是后者导致适度的上游加热;这种波动也将对激波结构产生强烈的影响。
2009-09-28 astro-ph.HE
A Classification Scheme For Turbulent Acceleration Processes In Solar Flares
本文建立了强磁化等离子体中低频等离子体湍流随机加速模型的分类方案。这种分类考虑了加速电磁场的性质和加速区域中带电粒子的传输性质。我们分组的加速过程，无论是共振，非共振或共振加宽，这取决于粒子运动是否是自由流沿磁场，扩散或两者的组合。随机加速移动磁镜和绝热压缩作为说明性的例子。我们得到的动量相关的扩散系数$D(p)$的表达式，无论是一般形式的加速力和电磁力是波浪形的情况下，与指定的色散关系$ω=ω(k)$。最后，对于所考虑的模型，我们计算了与能量相关的加速时间，这个量可以直接与加速粒子产生的辐射场的时间分布的观测结果进行比较，例如在太阳耀斑期间。
2012-06-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulent Reacceleration of Streaming Cosmic Rays
亚音速压缩湍流将能量传递给宇宙射线（CR），这一过程称为非共振再加速。它经常被用来解释观察到的比率，初级到二级CR在$\sim \rm GeV$能量，假设完全扩散CR运输。然而，这种估计忽略了CR自我限制和流的影响。我们研究这些问题，在搅拌箱磁流体动力学（MHD）模拟使用雅典娜++，与场对齐的扩散和流CR运输。对于扩散，我们发现CR再加速率与分析预测吻合得很好。当包括流时，再加速率取决于血浆$β$。由于CR和气体变量之间的流修正相移，它们在低$β$环境（如星际介质（ISM））中比正则再加速速率慢，但在高$β$环境（如团内介质（ICM））中保持不变。我们还量化了模拟中的流能量损失率。对于亚Alfvénic湍流，由于平均场和各向同性CR梯度之间的不对准，与各向同性损失率$v_{A} \cdot \nabla P_{\rm CR} / P_{\rm CR} \sim v_{A}/L_{0}$相比，它与分辨率相关（因此在大规模模拟中不收敛）并受到严重抑制（抑制幅度为一个数量级）。与直觉相反，并且与加速效率不同，CR损耗几乎与$β\sim 1-100$上的磁场强度无关，因此，当包括流时，CR损耗不是较低加速率背后的主要因素。虽然本文主要关注的是湍流如何影响CR，在后续文件（巴斯塔和哦，在准备），我们考虑CR如何影响湍流转移能量从MHD级联，改变路径的气体加热和陡峭的湍流功率谱。
2023-01-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Diffusive Cosmic Ray Acceleration at the Galactic Centre
从银河系内部$\sim2^\circ$探测到的弥散TeV辐射似乎与沿银河系脊的分子气体分布密切相关。虽然还不完全清楚TeV光子的起源是由于强子相互作用还是轻子相互作用，但强度分布与分子气体的紧密相关性强烈指向涉及相对论质子的π衰变过程。但是TeV辐射的光谱--指数为$α\approx -2.3$的幂律--不能轻易地与地球上看到的宇宙射线的陡峭分布相适应。在早期的工作中，我们研究了这些相对论质子的可能来源，并得出结论，无论是超大质量黑洞人马座A*（与HESS源J1745-290相同），还是沿银河平面分散的几个脉冲星风星云，都不能产生与HESS所观察到的形态相似的TeV发射轮廓。我们的结论是，从这个早期的研究，只有相对论质子加速整个云间介质可以解释所观察到的弥漫TeV发射从这个地区。在本文中，我们开发了一个模型的扩散质子加速驱动的湍流Alfvénic磁场存在于整个气体介质。虽然这是间接的，但这似乎是第一个证据，表明至少有一些宇宙射线在银河系内部的$\sim300$ pc中扩散加速。
2010-10-14 astro-ph.HE
Turbulent Cosmic-Ray Reacceleration and the Curved Radio Spectrum of the Radio Relic in the Sausage Cluster
人们通常认为，在星系团CIZA J2242.8+5301（“香肠”星系团）中的北方射电遗迹与宇宙射线（CR）电子有关，这些电子通过扩散激波加速（DSA）机制在激波中加速。然而，最近的射电观测表明，无线电频谱是弯曲的，这与简单DSA模型的预测不一致。此外，受辐射冷却影响之前的CR电子谱似乎对DSA来说太难。在这项研究中，我们表明，这些事实是自然的后果，如果电子在湍流下游的冲击。在这个模型中，DSA不是产生高能电子的主要机制。我们发现，电子的平均自由程应远远短于库仑平均自由程有效的再加速。湍流漩涡的尺度必须小于遗迹的宽度。我们还预测了光子逆康普顿散射的硬X射线谱。
2016-04-28 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Ray Small Scale Anisotropies and Local Turbulent Magnetic Fields
在过去的十年中，宇宙线各向异性在很宽的能量范围内和不同的角尺度上被各种实验观测到。然而，迄今尚未提出全面或令人满意的解释。宇宙射线到达地球的分布是其源的分布和粒子传播所通过的磁场的几何形状和性质的影响的卷积。一般认为，在最大角尺度上的各向异性拓扑结构是通过在结构化星际磁场中的扩散而形成的。相反，中等和小尺度的角结构可能是宇宙射线在扰动磁场中的非扩散传播的影响。特别是，一个可能的解释所观察到的小尺度的各向异性观察到的TeV的能量尺度，可能来自粒子散射在湍流磁化等离子体的效果。通过对低$β$可压缩磁流体动力学湍流中的测试粒子轨迹进行数值积分，研究了宇宙射线沿局部湍流磁场流动时，其到达方向分布受到的扰动。我们利用刘维尔定理获得在地球上的各向异性，并提供了理论框架的应用在宇宙射线到达分布的特定情况下的定理。在这项工作中，我们讨论了在这种不均匀和湍流星际磁场的传播所产生的各向异性的影响。
2016-07-25 astro-ph.HE
Kinetic simulations of non-relativistic high-Mach-number perpendicular shocks propagating in a turbulent medium
本研究使用 2D3V particle-in-cell 模拟，通过一种新的电磁场和电流匹配技术，探讨了在湍流上游介质中传播的非相对论高马赫数垂直激波对电子加速和加热的影响，发现湍流虽增强上游磁场变化，但不足以显著影响垂直激波处电子行为。
2023-10-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Explaining TeV Cosmic-Ray Anisotropies with Non-Diffusive Cosmic-Ray Propagation
约束在地球上观测到的宇宙射线数据的行为需要精确了解宇宙射线如何在星际介质中传播。星际介质不是均匀的;虽然湍流磁场在大尺度上占主导地位，但磁场的小相干区域存在于与附近星系中的粒子传播相关的尺度上。通过一个相干场的引导传播是显着不同的随机粒子扩散，可以解释在所观察到的宇宙射线的空间各向异性。我们提出了一个Monte Carlo程序来模拟宇宙粒子在真实的磁场结构中的传播。我们讨论的模型的细节，以及一些初步的研究表明，相干磁结构是重要的影响，在当地的宇宙射线传播，增加超过两个数量级的宇宙射线的通量在各向异性的位置在天空中。相干磁结构引起的特征可能是观测到的TeV宇宙线各向异性的原因。
2016-05-13 astro-ph.GA astro-ph.HE hep-ph
Cosmic ray anisotropies from transient extragalactic sources
我们研究了高能宇宙线瞬变源的光谱和各向异性，并考虑了它们在河外湍流磁场中传播的影响。我们考虑爆发源或源发射，因为一个给定的初始时间。我们详细分析了扩散和准直线制度之间的过渡，描述了一些新的功能，可能存在的
2021-01-05 astro-ph.HE
Simulating the transport of relativistic electrons and magnetic fields injected by radio galaxies in the intracluster medium
射电星系在宇宙射线和星系团的磁场的传播中起着重要的作用。在这里，我们模拟的相对论电子注入到星系团内介质的射电星系的演变。使用被动示踪粒子添加到磁流体动力学自适应网格模拟，我们计算的相对论电子考虑到能量损失和再加速机制与集群内介质的动态谱的演变。再加速可以通过扩散激波加速在激波处发生，并且通过二阶费米再加速在湍流中发生。这项研究证实，来自射电星系的相对论电子可以有效地填充几个$100 \rm ~Myr$尺度的团内介质，并且它们创建了一个稳定的化石电子库，这些电子仍然可以通过冲击波和湍流气体运动进一步再加速。我们的研究结果还表明，射电瓣和残余射电星系的晚期演化是显着的影响，周围的集群内介质的动力学。在这里，扩散再加速耦合相对论粒子的演化到气体扰动。在不久的将来，深层射电观测，特别是低频观测，可以探测星系团中的这种机制。
2021-05-30 astro-ph.CO astro-ph.HE
Radio emission and nonlinear diffusive shock acceleration of cosmic rays in the supernova SN 1993J
超新星SN 1993 J在无线电波段的广泛观测使其成为研究超新星激波中粒子加速的独特目标。为了描述无线电同步辐射，我们使用一个模型，耦合半解析描述的非线性扩散冲击加速与自相似的解决方案的流体动力学的超新星膨胀。同步辐射是由相对论电子在激波后等离子体中传播产生的，由包含同步辐射自吸收过程的辐射转移计算得到。应用该模型解释了高分辨率VLBI成像观测的射电辐射形态和6个频率的总通量密度随时间的演化。光变曲线和无线电发射的形态都表明，爆炸后不久，爆炸波区域的磁场被强烈放大，这可能是通过在冲击波前兆中操作的宇宙射线流不稳定性的非共振机制。湍流磁场在激波后没有衰减，而是被下游区域的等离子体流携带。宇宙射线质子是由爆炸波的扩散冲击加速有效地产生的。我们发现，在爆炸后的第一个~8.5年，约19%的总能量处理的前向冲击波被转换为宇宙射线能量。然而，激波仍然受到宇宙射线压力的微弱影响。高磁场放大意味着质子被迅速加速到远高于1 PeV的能量。从这颗超新星获得的结果支持了这样一种假设，即大质量恒星爆炸成它们以前的恒星风是高能银河宇宙射线的主要来源。
2009-03-17 astro-ph.HE
