Particle acceleration in shearing flows: the case for large-scale jets
对千秒差距尺度喷流的X射线观测表明，持续的非热辐射很可能来自同步加速器。这需要电子沿着射流的分布式加速达到接近PeV的能量。其加速机制尚不清楚。剪切加速度是一个很有前途的候选人，因为速度剪切分层是一个射流的准直流的自然结果。我们研究的剪切加速的细节，通过求解稳态福克-普朗克型方程，并提供一个简单的通用解决方案的范围内的磁流体动力学湍流幂律谱的trans-relativistic射流。一般情况下，加速粒子数是一个幂律谱与指数状截止，其中的幂律指数是由湍流谱和逃逸和加速粒子的平衡。采用一个简单的线性下降的速度轮廓在大尺度喷流的边界，我们发现，多波长的X射线喷流，如半人马座A和3C 273的光谱能量分布，可以复制电子加速到$\sim$ PeV。在kpc尺度的喷流中，质子可能被加速到$\sim$ EeV，这支持了大尺度喷流是剪切加速框架内的超高能量宇宙射线源的强有力候选者的假设。
2021-05-18 astro-ph.GA astro-ph.HE
Stochastic Particle Acceleration in Turbulence Generated by the Magnetorotational Instability
我们研究吸积流中的随机粒子加速。磁旋转不稳定性（MRI）在吸积流内部产生湍流，而宇宙射线（CR）被湍流加速。我们计算的运动方程CR在MRI产生的湍流场与剪切盒近似无反作用的字段。结果表明，CRs通过与湍流场的相互作用随机地获得或损失其能量。CR在位形空间中各向异性地扩散：在未扰动流方向上的扩散系数大约是玻姆系数的20倍，而在其他方向上的扩散系数仅是玻姆系数的几倍。动量分布是各向同性的，其演化可以由动量空间中的扩散方程描述，其中扩散系数是CR动量的幂律函数。我们表明，剪切加速度有效地工作的高能粒子。我们还谨慎地注意到，在剪切盒近似中，沿着径向多次穿过模拟盒的粒子受到洛伦兹变换的非物理失控加速度，这需要特别小心。
2016-02-25 astro-ph.HE
On the Nature of Magnetic Turbulence in Rotating, Shearing Flows
在剪切盒模型的框架下，研究了旋转剪切流中由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的局部特性。基于数值模拟，我们提出MRI驱动的湍流包括两个组成部分：大尺度剪切排列的强磁场和类似磁流体动力学（MHD）湍流的小尺度波动。大尺度分量的能谱接近于$k^{-2}$，而小尺度分量的能谱则与强MHD湍流$k^{-3/2}$的能谱一致。虽然波动的频谱是普遍的，但湍流的外尺度特征不是;它们取决于系统的参数，如净磁通量。然而，所允许的湍流状态之间存在着显著的普适性--它们的强度$v_0$和外尺度$λ_0$满足平衡条件$v_0/λ_0\sim \mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$，其中$\mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$是流动的局部轨道剪切率。最后，我们发现没有持续的发电机行动中的$\mathrm{Pm}=1$零净通量的情况下，雷诺数高达$45\,000$，铸造怀疑存在的MRI发电机在$\mathrm{Pm}\leq 1$制度。
2015-12-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
UHE Cosmic Rays and AGN Jets
活动星系核（AGN）及其相对论喷流被认为是超高能（UHE）宇宙线加速的潜在场所。本文回顾了基本的观测结果以及对源能量学的要求，然后讨论了不同加速位置和机制的相关性，如黑洞隙、回流中的激波或喷流剪切加速。当放在上下文中，结果表明，费米型粒子加速在trans-relativistic冲击和/或在剪切，相对论流提供了最有前途的框架UHECR生产活动星系核。然而，真正破译UHECRs的天体物理来源，仍然需要改进的到达方向和源相关性的统计信息。
2019-11-11 astro-ph.HE
Perturbations dynamics in Keplerian flow under external stochastic forcing
本文研究了外部随机力作用下开普勒流中线性扰动的动力学性质。为了从流动结构和边界条件的细节中抽象出来，我们考虑了剪切盒近似的问题。假设一个外力的平均值为零，即使如此，诱导扰动形成一个稳定的状态，它提供了角动量转移到周边的流动。最有效的方案是基于诱导涡流的瞬态放大，随后发射剪切声波，其中通量的最大值线性地取决于雷诺数。因此，这种机制对于天体物理流动是重要的，因为巨大的雷诺数是典型的。同时，通过分析，我们发现在剪切盒近似下，对于不可压缩流体，随机强迫不会导致平均角动量转移。因此，流体的可压缩性在这里起着重要的作用，不能忽略它。
2020-01-12 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Fully kinetic shearing-box simulations of magnetorotational turbulence in 2D and 3D. I. Pair plasmas
磁旋转不稳定性（MRI）是决定天体物理吸积盘宏观动力学的基本机制。在超大质量黑洞周围的无碰撞吸积流中，MRI驱动的等离子体湍流级联到微观（即动力学）尺度可以导致增强的角动量传输和再分布，非热粒子加速，以及电子和离子不均匀加热的双温状态。然而，这种微观物理学不能用通常用于研究MRI的标准磁流体动力学（MHD）方法来捕获。在这项工作中，我们探讨了MRI湍流在一对等离子体的非线性发展，采用完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟在二维和三维。首先，我们彻底研究了轴对称MRI与二维模拟，解释如何以及为什么二维几何产生的结果，从MHD的预期有很大的不同。然后，我们进行了最大的（迄今为止）3D模拟，我们采用了一种新的剪切盒的方法，证明了3D PIC模型可以重现中尺度（即MHD）MRI动力学在足够大的运行。通过我们的完全动力学模拟，我们能够描述由无碰撞MRI驱动的非热粒子加速和角动量输运。由于这些微观过程最终导致在吸积等离子体中发射出潜在的可测量辐射，因此我们的工作对于从第一原理理解当前和未来的观测具有首要意义，超越了流体（MHD）模型的限制。虽然在这第一项研究中，为了简单起见，我们专注于对等离子体，但我们的结果代表了设计更逼真的电子-离子模拟的重要一步，我们将在未来的工作中专注于此。
2022-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
MRI channel flows in vertically-stratified models of accretion disks
磁旋转不稳定性（MRI）在“非分层”剪切盒的模拟表现出强大的相干流，从而流体垂直分裂成反向运动的平面射流或“通道”。通道流对应于某些轴对称线性MRI模式，并且它们的优势来自于它们是弱磁场极限下MHD方程的近似非线性解这一显著事实。在本文中，我们表明，分析和一维数值模拟，这一属性也共享某些轴对称MRI模式在垂直分层剪切盒。这些通道流迅速捕获大量的磁能和动能，因此容易受到二次剪切不稳定性的影响。我们研究这些寄生虫在垂直分层的上下文中，并估计最大幅度的通道达到之前，他们被摧毁。这些估计表明，占主导地位的通道流通常会驱动磁盘的磁场的热强度。这些流动的突出性和它们的破坏对模拟提出了巨大的要求，但是在它们的初始阶段，通道也提供了对数字代码的有用检查。考虑到对分层MRI饱和度的兴趣日益增加，这些基准尤其有价值。最后，我们推测在原恒星和矮新星磁盘的“失控”通道流和爆发行为之间的潜在联系。
2010-04-01 astro-ph.HE
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle-in-cell Simulations of the Magnetorotational Instability in Stratified Shearing Boxes
本研究针对黑洞周围低光度吸积盘的无碰撞磁旋转不稳定性，开展带净垂直场分层剪切盒的二维三维PIC模拟，发现盘膨胀、外流、类发电机过程等，证实非热粒子加速幂律分布，为低光度吸积盘MRI效应建模迈出第一步。
2023-08-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Slow down of a globally neutral relativistic $e^-e^+$ beam shearing the vacuum
研究了全局中性相对论性$e^-e^+$光束通过中空等离子体/介质通道的相对论性无碰撞剪切流的微观物理。我们表明，通过多维PIC模拟，这种情况下激发蘑菇不稳定性（MI），电子尺度上的横向剪切不稳定性，当有没有重叠（无接触）之间的$e^-e^+$光束和中空等离子体通道的壁。MI的开始导致束的动能转换成磁场（和电场）能量，有效地减慢了在没有接触的情况下的全局中性体。在这种配置中探索的无碰撞剪切物理学可以在天体物理环境中运行，特别是在宏观剪切过程稳定的高度相对论和超音速环境中。
2015-06-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cosmic ray acceleration in accretion flows of galaxy clusters
本文研究了星系团中激波和吸积流对宇宙射线的加速作用。给出了加速粒子谱和非热辐射的数值计算结果。结果表明，室女座附近星系团中质子和核的加速运动可以解释观测到的超高能宇宙射线谱。
2018-07-31 astro-ph.HE
Particle-in-Cell Methods for Simulations of Sheared, Expanding, or Escaping Astrophysical Plasma
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间气动力学研究所）；University of Maryland（马里兰大学）；The University of Osaka（大阪大学）
本文提出改进的PIC方法，用于模拟剪切、膨胀和逃逸等天体物理等离子体，提供数值细节和通用粒子推动器以提高模拟准确性。
2026-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Shear Acceleration in Expanding Flows
剪切流自然会发生在天体物理环境和连续非热费米型粒子加速的潜在场所。在这里，我们调查的效率扩大相对论流出，以促进加速高能带电粒子到更高的能量。为此，逐步剪切加速度系数推导的基础上的分析处理。结果适用于活动星系核的相对论性喷流的背景下。对各种锥形流剖面（即，幂律，高斯，费米-狄拉克），并与相关的辐射和非辐射损失时间尺度进行比较。结果表明，相对论剪切流能够将宇宙射线提升到极端能量。另一方面，有效的电子加速需要弱磁场，并且因此可能伴随着粒子加速的延迟开始，并且影响总体射流外观（例如，核心、脊线和边缘增亮）。
2016-11-14 astro-ph.HE
Fermi~I particle acceleration in converging flows mediated by magnetic reconnection
上下文具有不同极性的强磁场的会聚流可以通过磁重联来加速粒子。如果粒子的平均自由程比重联层的厚度长，但比整个重联结构短得多，则粒子将主要以非常低的逃逸概率与入射流相互作用。目标。我们探索，在一般情况下，也在一些特定的情况下，粒子被加速的可能性，在磁重联层的相互作用，只有与传入的流量。方法.我们的特点进行磁重联的收敛流，并推导出分析估计的粒子能量分布，加速率，并在这些流中可实现的最大能量。我们还讨论了一种情况下，根据射流占主导地位的磁场的极性变化，在这种机制可能会运作。结果如果重联层比其横向特征尺寸薄得多，并且磁场具有无序分量，则建议的加速机制起作用。同步加速器的损失可能会阻止电子进入这种加速状态。加速率应该更快，粒子的能量分布比标准扩散冲击加速更硬。在活动星系核和微类星体的喷流的最里面的区域的障碍物的相互作用可能是合适的网站粒子加速在收敛流。
2012-06-04 astro-ph.HE
Two-stage acceleration of interstellar ions due to the interaction of high-energy lepton plasma flow
利用PIC方法模拟了高能轻子等离子体流与背景电子-质子等离子体的相互作用，重点研究了质子的加速过程。研究发现，加速过程遵循两个阶段的过程。在第一阶段，质子被强烈的韦伯型不稳定性产生的湍流磁场“岛”横向（垂直于轻子流）加速。加速的质子显示出完美的反幂能谱。随着相互作用的继续，激波结构形成，激波前的质子以两倍于激波速度的速度被反射，在模拟参数下，在200 MeV附近出现准单能峰。
2015-12-16 astro-ph.HE
Transient growth of perturbations on scales beyond the accretion disc thickness
谱稳定剪切流的湍流状态可以根据转捩的旁路方案来发展和维持。如果它工作在非磁化的无限和均匀的准开普勒流，瞬时增长的剪切涡应提供能量的湍流。采用大剪切盒近似，以及一组全球盘模型，我们研究了在这样的流中的剪切涡的最佳增长在整个范围内的方位角的长度尺度，$λ_y$，相比的流量尺度高度，$H$。结果表明，与帐户的粘度的剪切涡，$G_{max}$的最高可能的放大，达到最大值在$λ_y\lesssim H$和下降对大尺度$λ_y\gg H$和小尺度$λ_y\ll H$在一个很好的协议与分析估计的基础上平衡的解决方案。我们主要关注大尺度涡旋$λ_y\gg H$，它产生$G_{max}\propto (Ω/κ)^4$，其中$Ω$和$κ$分别表示本地旋转和周转频率。结果表明，大尺度涡在接近摆动的瞬间获得高密度扰动。同时，它们的生长不受体积粘度的影响。我们检查，全球获得的$G_{max}$是可比的本地对应和形状和本地化的全球最佳涡可以解释的本地方法。所得到的结果使我们能够建议，在准开普勒流的亚临界过渡到湍流的临界雷诺数，以及相应的湍流的有效方位应力应基本上取决于剪切速率。
2017-01-10 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Non-linear model of particle acceleration at colliding shock flows
强大的恒星风和超新星爆炸以强冲击波的形式释放出强烈的能量，可以将相当大一部分动能转化为高能粒子。恒星形成区被认为是高能粒子加速的有利场所，可能是非热辐射的有效来源。本文提出了一个非线性时变模型，描述了两个相互接近的快磁流体动力学（MHD）激波附近的粒子加速过程。这样的磁流体流动预计会发生在丰富的年轻星团，其中超新星爆炸附近的一个强大的恒星风附近的大质量恒星。我们发现，在两个紧密接近的冲击阶段加速的高能粒子的光谱可以比在一个孤立的超新星遗迹的前向冲击形成的更硬。所提出的方法可以应用于模拟粒子加速在各种系统中的碰撞MHD流。
2012-12-07 astro-ph.HE
Particle Diffusion and Acceleration in Magnetorotational Instability Turbulence
热吸积流包含无碰撞等离子体，被认为能够将粒子加速到非常高的能量，这是磁旋转不稳定性（MRI）产生的湍流的结果。我们进行非分层剪切盒模拟的MRI湍流在理想磁流体动力学（MHD），并注入高能（相对论）的测试粒子的模拟快照进行详细的调查粒子扩散和随机加速。我们考虑不同数量的净垂直磁通量，以实现不同的磁盘磁化水平在饱和状态下，具有足够高的分辨率来解决大多数粒子的回转半径（$R_g$）。具有大$R_g$的颗粒（$\gtrsim0.03$盘标度高度$H$）在方位角和极向方向上分别显示$\sim30$和$\sim5$乘以Bohm值的空间扩散系数。我们进一步测量粒子动量扩散系数$D(p)$应用福克-普朗克方程的粒子动量演化。对于这些粒子，来自湍流波动的贡献以$D(p)\propto p$为尺度，并且当$R_g\gtrsim0.1H$时剪切加速度接管，其特征在于$D(p)\propto p^3$。对于具有较小$R_g$（$\lesssim0.03H$）的粒子，其空间扩散系数大致与$\sim p^{-1}$成比例，并且在动量扩散中显示出$D(p)\propto p^2$比例的证据，但具有较大的不确定性。我们发现，多重效应有助于随机加速/减速，该过程也可能受到MRI湍流中的不稳定性的影响。我们还讨论了在超大质量黑洞周围的热吸积流加速PeV宇宙射线的潜力。
2021-06-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Origin of the Slow-to-Alfvén Wave Cascade Power Ratio and its Implications for Particle Heating in Accretion Flows
本文研究磁化剪切流中湍流能量注入慢波与阿尔芬波级联的功率比机制，通过磁流体动力学剪切盒模拟确定该比率对吸积流宏观参数的依赖关系，并据此构建离子-电子加热比的局部亚网格模型。
2024-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Interplay of Parametric and Magnetorotational Instabilities in Oscillatory Shear Flows
针对翘曲盘内部振荡剪切流中参数不稳定性与磁旋转不稳定性（MRI）的相互作用未被研究的问题，通过三维磁流体动力学剪切盒模拟发现，临界强迫振幅上下两者主导作用不同，且内部应力具粘弹性各向异性，为翘曲盘模型改进提供依据。
2025-08-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
First order particle acceleration in magnetically-driven flows
我们证明了粒子有规律地加速，同时经历由磁张力驱动的流中的曲率漂移。这种流动的一些示例包括自发湍流重联和衰减磁流体动力学（MHD）湍流，其中磁场弛豫到较低能量配置并将其部分能量转移到动能运动。相反的过程，如发电机，实际上会导致粒子的曲率漂移的净冷却。由于这种加速机制非常普遍，它很可能是在磁主导环境中产生非热粒子分布的原因，如太阳色球层、脉冲星磁层、超大质量黑洞喷流、$γ$射线爆发等。
2015-12-12 astro-ph.HE astro-ph.SR
Supertransient magnetohydrodynamic turbulence in Keplerian shear flows
本文用统计方法研究了磁化开普勒剪切流的亚临界湍流转捩。采用零净磁通量的剪切盒方程的三维数值模拟来确定从衰减到持续湍流的转变作为磁雷诺数Rm的函数。结果表明，没有明确的过渡到持续的湍流的平均寿命的瞬变增长作为一个指数函数的Rm，按照II型超瞬态法。
2010-06-29 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle acceleration by magnetic Rayleigh-Taylor instability: mechanism for flares in black-hole accretion flows
本研究针对黑洞吸积流耀发的粒子加速机制问题，通过PIC模拟探究相对论无碰撞等离子体的磁瑞利-泰勒不稳定性，发现羽状结构生长合并驱动磁重联可实现高效粒子加速，能解释Sgr A*的吸积流耀发。
2023-10-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Pressure-anisotropy-driven microturbulence and magnetic-field evolution in shearing, collisionless plasma
研究了高β无碰撞等离子体的非线性状态，当施加线性剪切放大或减小均匀磁场时，驱动压力各向异性，从而导致水龙带/镜不稳定性。所产生的微尺度湍流的演变被认为是剪切关闭或逆转后，一个剪切时间（模仿本地行为的宏观流），所以一个新的宏观配置叠加在微尺度状态留下的前一个。存在等离子体β的阈值：当$β\llΩ/S$（离子回旋频率/剪切速率）时，与剪切时间相比，由剪切驱动的不稳定的消防管/镜波动的出现以及当剪切被移除/反转时它们的消失是准瞬时的，即，这些波动的衰减时间是$\simβ/Ω\ll 1/S$（该结果是由波动的自由衰减得到的，该波动的自由衰减受到与其增长相同的边缘稳定性阈值的约束）。相反，当$β\gtrsimΩ/S$（"超高" β）时，旧的微尺度状态只能在剪切时间尺度上被去除。在这种制度下，驱动消防水龙带波动增长长期订单单位振幅，补偿平均场的衰减，因此钉扎压力各向异性在边缘稳定性没有明显的粒子散射-这是不像发生在中度$β$。当剪切反向时，这种消防水龙带湍流的剪切补偿了平均场的增加，从而防止了压力各向异性的增长，阻止了系统的镜像不稳定。因此，在超高β下，系统保持接近消防阀值，镜像不稳定性在很大程度上被抑制，而平均磁能几乎没有变化。等离子发电机的影响，从而宇宙磁性的起源进行了讨论。
2015-12-26 astro-ph.CO astro-ph.HE nlin.CD
