Major Scientific Challenges and Opportunities in Understanding Magnetic Reconnection and Related Explosive Phenomena throughout the Universe
H. Ji, A. Alt, S. Antiochos, S. Baalrud, S. Bale, P. M. Bellan, M. Begelman, A. Beresnyak, E. G. Blackman, D. Brennan, M. Brown, J. Buechner, J. Burch, P. Cassak, L. -J. Chen, Y. Chen, A. Chien, D. Craig, J. Dahlin, W. Daughton, E. DeLuca, C. F. Dong, S. Dorfman, J. Drake, F. Ebrahimi, J. Egedal, R. Ergun, G. Eyink, Y. Fan, G. Fiksel, C. Forest, W. Fox, D. Froula, K. Fujimoto, L. Gao, K. Genestreti, S. Gibson, M. Goldstein, F. Guo, M. Hesse, M. Hoshino, Q. Hu, Y. -M. Huang, J. Jara-Almonte, H. Karimabadi, J. Klimchuk, M. Kunz, K. Kusano, A. Lazarian, A. Le, H. Li, X. Li, Y. Lin, M. Linton, Y. -H. Liu, W. Liu, D. Longcope, N. Loureiro, Q. -M. Lu, Z-W. Ma, W. H. Matthaeus, D. Meyerhofer, F. Mozer, T. Munsat, N. A. Murphy, P. Nilson, Y. Ono, M. Opher, H. Park, S. Parker, M. Petropoulou, T. Phan, S. Prager, M. Rempel, C. Ren, Y. Ren, R. Rosner, V. Roytershteyn, J. Sarff, A. Savcheva, D. Schaffner, K. Schoeffier, E. Scime, M. Shay, M. Sitnov, A. Stanier, J. TenBarge, T. Tharp, D. Uzdensky, A. Vaivads, M. Velli, E. Vishniac, H. Wang, G. Werner, C. Xiao, M. Yamada, T. Yokoyama, J. Yoo, S. Zenitani, E. Zweibel
本白皮书总结了理解磁重联和相关爆炸现象作为基本等离子体过程的主要科学挑战和机遇。
This white paper summarizes major scientific challenges and opportunities in understanding magnetic reconnection and related explosive phenomena as a fundamental plasma process.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Unraveling the Trigger Mechanism of Explosive Reconnection in Partially Ionized Solar Plasma
本文通过2.5维MHD模拟揭示部分电离太阳等离子体中磁重联从等离子体团介导阶段向爆炸性快速重联转变的触发机制，发现主X点辐射冷却导致的气压耗竭和磁扩散增强使重联率从约0.02跃升至0.06以上。
Nonlinear Explosive Magnetic Reconnection in a Collisionless System
半个多世纪以来，围绕磁重联引起的快速磁能耗散的争论一直是等离子体宇宙中的一个基本话题，不仅在地球的磁层中，而且在脉冲星磁层和磁星等天体中。最近，非热粒子加速和等离子体加热过程中的重联已被广泛研究，有人认为，快速的能量耗散可以发生碰撞的“薄”电流片，其厚度的顺序的粒子回旋半径。然而，对于厚度大于粒子回旋半径的“厚”电流片，如何发生快速的能量耗散是一个有趣的谜。在这里，我们证明，使用一个高分辨率的粒子在细胞中的模拟对等离子体，爆炸性的重联可以出现的惯性电阻率的增强，由于重联磁场和电流片的收缩的曲折粒子的磁化。此外，无论电流片的初始厚度如何，非线性爆炸重联的时间尺度都是Alfvén渡越时间的几十倍。
Explosive Turbulent Magnetic Reconnection
我们报告的湍流磁重联的模拟结果获得使用一个新开发的哈罗德平均磁流体力学模型。我们发现，最初的哈里斯电流片发展在三个方面，这取决于湍流的强度：层流重联，湍流重联，和湍流扩散。湍流重联将磁场能量爆炸性地转化为等离子体的动能和热能，并产生开放的快速重联喷流。这种快速的湍流重联是通过湍流扩散的局部化实现的。此外，通过平均场和湍流的相互作用，局域结构形成。
Particle acceleration in explosive relativistic reconnection events and Crab Nebula gamma-ray flares
我们建立了一个由高磁化相对论等离子体中的磁重联事件引起的蟹状星云γ射线耀斑模型。我们首先讨论蟹状星云的物理参数，回顾脉冲星风和终端激波理论。我们还回顾了爆炸性重联事件中粒子加速的主要观点（Lyutikov等人，2017 a，b）。在星云的高磁化区域，产生耀斑的粒子必须被加速。耀斑起源于蟹状星云极流底部的向极区域，那里的磁化强度和磁场强度都足够高。终止后的激波流发展宏观（不相关的趋肤深度尺度上的等离子体特性）扭结型不稳定性。由此产生的大尺度磁应力驱动重联区的光交叉时间上的爆炸重联事件。耀斑产生于当前片发展的初始阶段，在X点坍缩期间。该模型具有蟹状耀斑所需的所有成分：高磁化区域的自然形成，光旅行时间的爆炸动力学，宏观尺度上高电场的发展以及粒子加速到远远超过每个粒子平均磁能的能量。
Explosive magnetic reconnection caused by an X-shaped current-vortex layer in a collisionless plasma
在考虑电子惯性和温度影响的双流体模型中，通过分析无碰撞撕裂模的非线性演化，研究了爆炸性磁重联的机制.这些效应相互配合，通过形成以重联点为中心的X形电流涡旋层，实现快速重联。对满足$d_e=ρ_s$的空前小的电子趋肤深度$d_e$和离子声回旋半径$ρ_s$的该模型的高分辨率模拟显示出撕裂模的非线性增长的爆炸性趋势，最新发现，X-形状层局部地出现在重连点周围，其中X形状的长度短于畴长度，并且X形状层的波长短于畴长度。线性撕裂模式这种局部增强的重联发病的原因是理论上解释了开发一种新的非线性和非平衡的内部解决方案，模拟本地X形层，然后匹配到一个外部的解决方案，这是近似的线性撕裂本征模与较短的波长比域长度。该理论模型证明了局域重联能比整体重联更有效地释放磁能，并且爆炸增长率的估计标度与模拟结果吻合较好。
Thermally enhanced tearing in solar current sheets: explosive reconnection with plasmoid-trapped condensations
在耀斑相关的电流片，撕裂不稳定性可能会触发爆炸性重联和等离子体团的形成。我们探讨了如何通过爆炸性重联过程，其特征在于形成的等离子体团的相互作用和陷阱冷凝等离子体的热和撕裂模式相互加强在太阳日冕中的电流片的碎片。我们使用电阻磁流体动力学（MHD）模拟的二维电流层，将光学薄辐射能量损失和背景加热的非绝热效应，使用\texttt{MPI-AMRVAC}。我们的参数调查探讨了不同的折射率和等离子体- $β$量化的不稳定性增长率的线性和非线性制度。我们注意到，对于$10^{-4} - 5 \times 10^{-3}$内的无量纲电阻率值，我们得到了热不稳定性和撕裂行为相互加强的爆炸行为。这显然低于纯电阻爆炸等离子体团形成的通常临界伦德奎斯特数范围。非线性增长率遵循弱幂律依赖与电阻率。在演化的非线性阶段，由于热不稳定性和撕裂不稳定性，电流片的碎裂和等离子体团的形成。在Lundquist数（$S_L$）范围$4.6 \times 10^3 - 2.34 \times 10^5$内注意到等离子体团的形成。我们量化的时间变化的等离子体团的数量和密度填充因子的等离子体团为不同的物理条件。我们还发现最大等离子体团数的尺度为$S_L^{0.223}$。在非线性聚合的等离子体团链中，局部的冷凝结聚集，实现了类似于日冕雨或日冕对流的密度和温度对比。
Particle acceleration in explosive relativistic reconnection events and Crab Nebula gamma-ray flares
我们发展了一个相对论性磁主导等离子体中爆炸性重联事件的粒子加速模型，并将其应用于解释蟹状星云的伽马射线耀斑。该模型依赖于电流驱动的宏观尺度上的不稳定性的发展（不相关的等离子体趋肤深度）。利用解析和数值方法（流体和粒子模拟），我们研究了相对论性磁支配等离子体中的一些模型问题：（i）我们将Syrovatsky的经典X点爆炸坍缩模型推广到磁支配等离子体;（ii）我们考虑了二维无力磁通量管系统的不稳定性;（iii）我们考虑了两个零极向电流磁通量管的合并.在所有情况下，自发和驱动的演变制度进行了调查。我们确定了两个阶段的粒子加速：（i）快速爆炸提示X点崩溃和（ii）随后的岛屿合并。最快的加速度发生在灾难性的X点坍缩的初始阶段，重联电场的数量级为磁场。重联的爆炸阶段产生非热幂律尾，其斜率取决于平均磁化强度。X点坍缩阶段之后是磁岛合并，在强制重联的状态下耗散了大部分初始磁能，进一步加速了粒子，但以较慢的重联速率进行。蟹状耀斑是由中极区星云主体中产生的磁通量管的磁岛合并的初始爆炸阶段造成的。在弱磁化的风场中，激波后等离子体流自然产生大尺度的强磁化结构。内部扭结状的不稳定性导致宏观载流磁通量管爆炸合并的形成。
Major Scientific Challenges and Opportunities in Understanding Magnetic Reconnection and Related Explosive Phenomena in Solar and Heliospheric Plasmas
磁重联是日光层和实验室等离子体中许多爆炸现象的基础。理论/模拟、观测和实验室实验方面的新研究能力为解决本白皮书中总结的重大科学挑战提供了机会。成功将需要相关资助机构加强和持续投资，增加机构间/国际伙伴关系，以及太阳能，日光层和实验室等离子体社区的密切合作。这些投资将在理解磁重联和包括空间天气事件在内的相关爆炸现象方面取得变革性进展。
Observation of explosive collisionless reconnection in 3D nonlinear gyrofluid simulations
在三维回旋流体模型的框架下，研究了无碰撞重联模的非线性动力学。这是高温等离子体的相关制度，其中重连是可能的电子惯性，并具有更高的增长率比电阻重连。在背景平板模型中，假设存在强引导场，在非均匀方向上具有Dirichlet边界条件。考虑了远小于电流层宽度的离子声回旋半径和电子无碰撞趋肤深度。强加速增长被发现在发病的非线性，而在任何时候的能量泛函是很好地保存。当进入小- $Δ'$状态时，观察到比线性增长率高一个数量级以上的非线性增长率。
Effects of a Velocity Shear on Double Current Sheet Systems: Explosive Reconnection and Particle Acceleration
在二维电阻性磁流体动力学（MHD）框架下研究了平行速度剪切对双电流片系统爆炸相的影响。我们进一步探讨了这种剪切对试验粒子加速度的影响。双电流片的一般演化模式是类似的所有亚Alfvénic剪切相对于初始的瞬态阶段，等离子体团不稳定性的发病和最终的弛豫阶段。我们发现，理论缩放的重联率与剪切举行，如果率测量时，岛屿有一个类似的大小。较大的岛宽度，较低的剪切大大提高了重联率在爆炸阶段。我们进一步研究了在剪切作用下加速粒子能谱的变化。我们的研究结果还表明，流只修改了粒子谱的高能尾，对幂律指数的影响可以忽略不计。单个粒子的轨迹有助于探索与加速度相关的各种机制。基于粒子的位置，加速机制被发现是不同的。我们强调的重要性，对流电场的流入以及流出区域内的大磁岛在粒子的加速。粒子与大尺度初级磁岛内部的重联排气的相互作用和反射对粒子的重联有显著的影响。
Fast magnetic reconnection: The "ideal" tearing instability in classic, Hall, and relativistic plasmas
磁重联被认为是天体物理学中许多爆炸现象的驱动力，从太阳到磁星和蟹状星云中的伽马射线耀斑。然而，经典MHD模型的重连率太慢，无法解释这样的观测结果。最近，人们意识到，当电流片变得足够薄时，撕裂不稳定性的重联率变得“理想”，在这个意义上，电流片在“宏观”阿尔夫文尼克时间尺度上不稳定，而不管等离子体的伦德奎斯特数。在这里，我们提出了2D可压缩MHD模拟在经典，霍尔和相对论制度。特别是，二次撕裂不稳定性的发病率内Hall-MHD的第一次调查。在相对论MHD的框架下，我们总结了Del Zanna等人[1]的主要结果：相对论撕裂不稳定性是非常快的，重联率是光穿越时间的倒数，这是解释高能爆炸现象所需要的。
Onset of turbulent fast magnetic reconnection observed in the solar atmosphere
从伽马射线暴到太阳耀斑，快速的磁重联为整个宇宙的爆炸事件提供了动力。尽管它的重要性，天体物理快速重联的开始是激烈辩论的主题，仍然是等离子体物理的一个悬而未决的问题。在这里，我们报告的两个重连驱动的太阳微耀斑的高节奏观测得到的\textit{Interface Region Imaging Spectrograph}，显示持续的湍流前耀斑。这些流动的速度与最初的局部声速相当，这表明在高度湍流的等离子体环境中发生了快速重连。我们的结果是在密切的定量协议与理论的磁驱动的重联，以及与数值模拟，其中快速磁重联诱导湍流。
Magnetic reconnection as an Adler-Ohmic bifurcation: The topological origin of Bohm resistivity
本文通过拓扑相变理论揭示磁重联中Bohm电阻率的起源，提出电子回旋轴同步破裂机制，表明其为磁化物质临界点的普遍拓扑属性。
Determining the 3D Dynamics of Solar Flare Magnetic Reconnection
本研究通过三维MHD模拟揭示耀斑电流片中等离子体团在耀斑带上留下瞬态螺旋印记，为解释高分辨率观测提供了新方法。
The Origin of Underdense Plasma Downflows Associated with Magnetic Reconnection in Solar Flares
磁重联是一个普遍的过程，它为爆炸性能量释放事件提供动力，如太阳耀斑、地磁亚暴和一些天体物理喷流。磁重联的一个特征是在等离子体阿尔文速度附近产生快速重联流出喷流。在爆发的太阳耀斑中，向耀斑拱廊移动的暗的指状等离子体下降流通常被认为是这种重连驱动流出的主要观测证据。然而，它们的速度往往比重联理论中预期的要慢得多，这对标准耀斑模型中重联驱动的能量释放场景提出了挑战。本文提出了一个太阳耀斑的三维磁流体动力学模型。通过比较模型的预测与观察到的等离子体的下行流的功能，我们得出结论，这些黑暗的下行流是自组织的结构形成在一个湍流的界面区域下面的耀斑终止激波的流出满足耀斑拱廊，类似的超新星遗迹中形成类似的结构的现象。这个界面区域有无数的湍流、电子流和激波，对耀斑能量释放和粒子加速至关重要。
Magnetic reconnection in the era of exascale computing and multiscale experiments
天体物理等离子体具有保持磁拓扑结构的能力，这不可避免地会在包括电流片在内的应力区域内引起磁能的积累。这种储存的能量通常通过磁重联的过程爆炸性地释放，这产生了磁场的重新配置，以及高速流动，热加热和非热粒子加速。无论是碰撞或动力学耗散机制，需要克服拓扑约束，这两个已经预测的理论和验证与现场航天器观测或实验室实验。然而，在理解大型系统中的磁重联方面仍然存在重大挑战，例如日冕，那里的碰撞性很弱，动力学尺度与宏观尺度相比非常小。等离子体团的不稳定性或形成多个等离子体团在长的重连电流片是一个可能的多尺度解决方案，桥接这一巨大的规模范围，新的实验室实验准备研究这些制度。结合这些努力，我们预计，未来的艾级计算时代，加上下一代的观测能力，将使一系列具有挑战性的问题，包括能量积累和重连的开始，部分电离制度，磁湍流的影响，粒子加速的新进展。
Extreme Ultraviolet Imaging of Three-dimensional Magnetic Reconnection in a Solar Eruption
磁重联是磁场连通性的变化，是磁能爆发性释放的基本物理过程。它是宇宙中各种爆发现象的原因。然而，这个过程很难直接观察。在这里，磁拓扑结构与太阳重联事件的研究在三维（3D）使用两个航天器的组合视角。极紫外（EUV）图像序列清楚地表明，两组方向相反且不共面的磁环逐渐相互接近，形成分离器或准分离器，然后重新连接。随后将重连位点附近的等离子体从$\sim$ 1加热至$\ge$ 5 MK。不久之后，温暖的耀斑环（$\sim$ 3 MK）出现在热等离子体下面。重连的其他观测特征，包括等离子体流入和下降流，明确揭示和定量测量。这些观测结果为三维位形中的磁重联提供了直接证据，并揭示了它的起源。
Analysis of the energy release for different magnetic reconnection regimes within the solar environment
利用2.5维磁流体动力学模拟分析了三种不同重联区的能量释放。所研究的系统包括位于介质中的电流片，沿电流层具有强密度变化：这种系统被模拟为位于高色球层/低日冕层，如在耀斑前和日冕物质抛射（CME）配置的情况下或在这种爆炸现象之后。通过触发不同的磁重联动力学，即从层流缓慢演化到自发的非稳态湍流重联[1，2，3]，我们观察到与这些重联驱动的演化中的每一个相关的能量通量的相当不同的效率和时间行为。这些差异是基本的关键属性，以创建触发机制的现实模型和所有这些现象的初始演变需要快速（和高功率）磁重联事件在太阳环境中。1. G. Lapenta，Phys. Rev. Lett. 100，235001（2008）中所述。2. L. Bettarini和G. Lapenta，ApJ Submitted（2009）. 3. M. Skender和G. Lapenta，Phys. Plasmas submitted（2009）.
Spontaneously generated flux ropes in 3-D magnetic reconnection
本文发现流向重联扩散区的平行电子流可在撕裂模和开尔文-亥姆霍兹不稳定性被抑制的分界面区域自发形成磁通量绳，揭示了电子动力学在三维磁重联中的重要作用。
Particle Acceleration and Plasma Dynamics during Magnetic Reconnection in the Magnetically-dominated Regime
磁重联被认为是宇宙中许多爆炸现象的驱动力。重联过程中的能量释放和粒子加速被认为是产生高能辐射和宇宙射线的一种机制。我们进行了二维和三维的动力学模拟来研究相对论性磁重联和相关的粒子加速。模拟的重点是电子-正电子等离子体开始与磁主导的，无力的电流片（$σ\equiv B^2/(4πn_e m_e c^2) \gg 1$）。对于这个限制，我们证明了相对论重联是非常有效的粒子加速通过一阶费米过程完成的曲率漂移的粒子沿相对论流引起的电场。该机制导致硬幂律谱$f \propto (γ-1)^{-p}$的形成，并且对于足够大的$σ$和系统尺寸，该谱接近$p = 1$。最终，大部分可用的磁自由能被转换成非热粒子动能。一个分析模型来解释的关键结果，并预测形成幂律分布的一般条件。在这些制度的发展导致相对论流入和流出的速度和增强的重联率相对于非相对论制度。在三维模拟中，二次扭结和撕裂不稳定性之间的相互作用会导致强烈的磁湍流，但不会显着改变能量转换，重联率，或粒子加速。研究表明，相对论性重联点是强的非热粒子源，这可能对各种高能天体物理问题具有重要意义。
Fast Magnetic Reconnection: Secondary Tearing Instability and Role of the Hall Term
在许多天体物理环境中，磁重联提供了爆炸性能量释放、等离子体加热和粒子加速的主要来源。近几年来，人们对磁流体撕裂不稳定性作为有效重联的驱动力的兴趣又重新燃起。已经确定的是，如果当前的片层纵横比变得足够小（对于给定的伦德奎斯特数$S\gg 1$，为$a/L \sim S^{-1/3}$），重联发生在理想的阿尔文时间尺度上，并且变得与$S$无关。在这里，我们调查，通过二维模拟，\emph{ideal}撕裂不稳定性的霍尔-MHD制度，这是适当的电阻层$δ$的宽度变得可比的离子惯性长度$d_i$。此外，我们详细研究了二次电流片的自发发展和重新连接，这对于高$S$自然调整到理想的纵横比，因此它们的演变进行得非常迅速。对于中等低的$S$，为了满足撕裂不稳定性开始所必需的条件$δ\ll a$，纵横比趋向于Sweet-Parker标度（$a/L \sim S^{-1/2}$）。当霍尔项被包括在内时，该次级非线性相位的重联率被增强，并且取决于比率$d_i/δ$，可以是相对于纯MHD情况的两倍，并且比线性相位大多达十倍。因此，薄电流片在霍尔-磁流体机制中撕裂不稳定性的演化自然会导致重连点的爆炸性破坏和超阿尔夫文时间尺度上的能量释放，这是解释天体物理观测所需要的。
UK White Paper on Magnetic Reconnection
英国发布白皮书，提出未来十年磁重联研究的九项优先目标，并指导理论、模拟和基础设施投资，以维持其在该领域的领先地位。
Observation of An Evolving Magnetic Flux Rope Prior To and During A Solar Eruption
爆炸性能量释放是发生在实验室、地球磁层、日冕和天体物理环境中的磁化等离子体系统中的常见现象。其物理解释通常归因于薄电流片中的磁重联。在这里，我们报告的重要作用，磁通量绳结构，体积电流通道，在产生爆炸事件。在太阳爆发之前和期间，太阳动力学观测站（SDO）上的大气成像组件（AIA）望远镜观测到通量绳作为热通道。它最初表现为扭曲和扭曲的S形结构，温度高达10 MK，然后在缓慢上升阶段转变为半圆形，随后是快速加速和耀斑爆发。观测结果表明，磁通量绳的不稳定性触发了喷发，从而对传统的磁重联范式进行了重大补充。
Nonlinear variational method for predicting fast collisionless magnetic reconnection
为了理解托卡马克放电中的磁塌缩，利用冷离子和电子的双流体模型研究了无碰撞等离子体中快速磁重联的机制。利用能量原理和非线性位移映射，对电子惯性引起的撕裂模的爆炸性增长进行了解析估计。在非线性制度（其中岛的宽度超过电子趋肤深度）的势能的减少被发现是陡峭的比在线性制度，导致加速重联。这种流体位移释放的势能导致不稳定的强对流，这是不阻尼的高温托卡马克等离子体中的小耗散效应。平板几何的直接数值模拟证实了非线性增长的理论预测。
Dynamic evolution of current sheets, ideal tearing, plasmoid formation and generalized fractal reconnection scaling relations
磁重联可能是使储存在磁场中的能量突然释放的基本过程，太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）是典型的自然等离子体例子。磁重联是一个太慢的过程，在大尺度上是有效的，但一旦在系统中形成足够小的尺度，就会加速。由于这个原因，分形重联方案被引入（Shibata和Tanuma 2001）来解释太阳大气中的爆炸事件：它是基于递归触发和崩溃，通过撕裂不稳定性的电流片最初在日冕中的灯丝上升期间变薄。在这里，我们比较了不同的分形重联的情况下，已经提出，并推导出广义的递归触发的快速，“理想”-即伦德奎斯特数独立-撕裂崩溃的电流片配置与任意电流剖面形状。一个重要的结果是，Sweet-Parker标度与Lundquist数，如果解释为一个理想的不稳定片中的奇异层的纵横比，是通用的，并不依赖于当前的配置文件中的表的细节。然而，这样的缩放不能被解释为静止重连，而是它定义了一个步骤，在加速序列的事件的理想撕裂介导的分形级联。我们计算缩放等离子体团的预期数量为通用配置文件和现实的伦德奎斯特数。
Three-dimensional Turbulent Reconnection within Solar Flare Current Sheet
本研究通过自洽高分辨率三维磁流体力学模拟，揭示了太阳耀斑电流片内的湍流磁重联过程，发现撕裂模与Kelvin-Helmholtz不稳定性的耦合是形成多尺度动力学结构的关键，实现了向三维湍流重联模型的范式转变。
On the explosive phase of the tearing mode in double current sheet plasmas: effect of the equilibrium magnetic configuration on the onset threshold and growth rate
在二维笛卡尔几何中，在约化电阻磁流体力学（MHD）框架下研究了与双流片系统撕裂不稳定性相关的磁重联.采用自适应有限元FINMHD程序对爆炸非线性阶段进行了研究。临界纵横比，即定义为最小的$L/x_s$比（与$L$和$x_s$是周期性系统的长度和两个电流层之间的半距离分别）后的线性和早期非线性饱和阶段的非线性失稳，得到。后者的阈值是独立的所选择的初始平衡（双哈里斯样的磁剖面）和电阻率的细节。它的值被证明是$4.7$，这是接近和略小于顺序的值$5$推导出在以前的研究中使用一个更具体的平衡配置。的动能（$E_K$）的时间依赖性被证明遵循双指数定律，$E_K \propto \exp \ [e^{(γ^* t)} ]$，伪增长率$γ^* \simeq 0.1 \ t_A^ {-1}$（$t_A$是特征阿尔文时间），这是再次独立的配置和电阻率。该机制提供了一个可能的解释爆炸性磁能释放的突然发生在快速阿尔文时间尺度上的破坏性事件的天体物理等离子体与预先存在的双电流片，如在太阳日冕。
Magnetic Energy Release, Plasma Dynamics, and Particle Acceleration during Relativistic Turbulent Magnetic Reconnection
在强磁化天体物理等离子体系统中，磁重联被认为是一个主要的过程，在此过程中发生爆炸性能量释放和粒子加速，导致显著的高能辐射。相对论性磁重联的动力学模型在过去几年中得到了积极的发展，支持了磁主导的假设。一个较少探讨的问题是3D动力学的后果，其中湍流结构是随着各种类型的不稳定性的发展而自然产生的。本文对正电子-电子等离子体中的相对论湍流磁重联（RTMR）进行了一系列三维、全动力学模拟，系统域远大于动力学尺度。我们的模拟从一个无力的电流片与几种不同的模式的长波长磁场扰动，驱动额外的湍流在重联区。因此，电流层破裂，重联区迅速演变成充满通量绳和电流片等相干结构的湍流层。我们发现RTMR中的等离子体动力学在许多方面与二维等离子体动力学有很大的不同。磁通绳在产生后迅速演化，并且由于二次扭结不稳定性而完全被破坏。这种湍流演化导致了磁场线的超扩散行为，如湍流重联的MHD研究中所见。同时，非热粒子加速和能量释放时间尺度可以非常快，并不强烈地依赖于湍流振幅。主要的加速机制是由运动电场支持的类费米加速过程，而非理想电场加速起次要作用。我们讨论了高能天体物理学中3D RTMR可能的观测意义。
Thermodynamics of Shear Equilibration During Magnetic Reconnection Onset in Mixed-Equilibrium Current Sheets
研究磁重联起始期间混合平衡电流片中磁剪切热力学行为，通过PIC模拟分析电流片平衡过程中的热力学变量与引导场相互作用。
"Ideally" unstable current sheets and the triggering of fast magnetic reconnection
磁重联被认为是在空间和实验室中观察到的许多爆炸现象的动力学机制，尽管在如此高的Lundquist（$S$）数等离子体中触发磁重联的速度有多快的问题仍然是难以捉摸的。已经确定的是，一旦达到动力学尺度，重连可以比传统预测的更快地发展。它也已被证明，在电阻磁流体力学（MHD）的框架内，快速重联实现足够薄的片材通过所谓的等离子体团不稳定性的发病。后者是在专门研究斯威特-帕克电流片的研究中发现的，无论是作为初始条件还是在非线性研究中发展的明显瞬态。另一方面，快速撕裂不稳定性可以在理想情况下增长，即，$S$ -独立的，时间尺度（被称为“理想”撕裂）在当前片的纵横比尺度与宏观伦德奎斯特数为$L/a\sim S^{1/3}$ -比斯威特帕克一个小得多-提出了一种新的方法来接近崩溃的电流配置中的快速重联的启动。在这里，我们提出了一个概述，我们所谓的“理想”撕裂电阻MHD，并讨论如何同样的推理可以扩展到其他常用的等离子体模型，包括电子惯性和动力学效应。然后，我们讨论了一个方案的发病“理想”的快速重联通过崩溃的电流片，并描述了一个定量模型的非线性演化的解释“理想”的不稳定片在两个维度。
Laboratory Study of Collisionless Magnetic Reconnection
本文综述近二十年无碰撞磁重联实验室实验及其与MMS空间观测的联系，总结扩散区结构、能量分配、动力学波和等离子体团多尺度重联等成果，并展望未来研究方向。
Particle acceleration in relativistic magnetic flux-merging events
使用解析和数值方法（流体和粒子模拟），我们研究了一些模型问题，涉及合并的磁通量管在相对论磁主导的等离子体。载流通量管（以二维“ABC”结构为例）和零总电流磁通量管的合并被认为是。在所有情况下，自发和驱动的演变制度进行了调查。我们确定两个阶段的粒子加速通量合并：（i）快速爆炸提示X点崩溃和（ii）随后的岛屿合并。最快的加速发生在最初的灾难性X点坍缩期间，重联电场的数量级为磁场。在X点坍缩过程中，粒子被电荷匮乏的电场加速，电场可以达到（甚至超过）局部磁场的值。重联的爆发阶段产生非热幂律尾，其斜率取决于平均磁化强度$σ$。对于等离子体磁化$σ\leq 10^2$，谱幂律指数为$p> 2$ ;在这种情况下，最大能量线性依赖于重新连接的岛的大小。对于更高的磁化强度$σ\geq 10^2$，谱是硬的，$p< 2$，但最大能量$γ_{max}$仍然可以超过每个粒子的平均磁能$ \sim σ$几个数量级（如果$p$不太接近1）。X点坍缩阶段之后是磁岛合并，其在强制磁重联的状态中耗散大部分初始磁能，进一步加速粒子，但以较慢的重联速率进行。
Particle acceleration by magnetic reconnection in geospace
本文综述地球磁层中磁重联驱动粒子加速的研究进展，梳理航天器观测及引导中心近似下的相关研究结论，指出仍需探究能量分配、湍流作用等问题以完善机制理解和跨环境对比。
A model of failed solar eruption initiated and destructed by magnetic reconnection
基于数值MHD模拟，提出一种由磁重联主导引发与失败的太阳爆发新模型，揭示系绳切断重联驱动MFR爆发后因上方磁场张力停滞，且MFR旋转导致重联彻底破坏其结构。
Radiatively Cooled Magnetic Reconnection Experiments Driven by Pulsed Power
本论文研究了脉冲功率驱动的辐射冷却磁重联，通过MARZ实验和GORGON模拟证实了等离子体团形成和强辐射冷却，为高能量密度天体物理研究提供了新平台。
Comparing Simulated and Observed Particle Energy Distributions through Magnetic Reconnection in Earth's Magnetotail
该研究通过全动能模拟分析磁重联过程中的粒子加速，发现二维模拟在再现电子高能尾部方面存在局限，需更现实的三维设置以提高准确性。
A novel kinetic mechanism for the onset of fast magnetic reconnection and plasmoid instabilities in collisionless plasmas
当相反的磁场通过电流片合并和湮灭时，磁重联可以爆炸性地释放磁能，驱动等离子体射流并将非热粒子群加速到高能量，在从空间和天体物理到实验室尺度的等离子体中。通过实验室实验和航天器观测，在证明在狭窄的动力学尺度电流片中如何快速耗散和重联方面取得了重大的实验进展。然而，一个挑战是要证明是什么触发了重新连接，以及它如何作为一个比这些动力学尺度大得多的全球系统的一部分快速有效地进行。在这里，我们显示实验的全面发展的过程中，电流片的形式，然后在离子动力学尺度分解成多个载流结构。结果是一致的撕裂的电流片，但修改碰撞动力学离子效应，这导致更大的增长率和数量的等离子体团比以前的实验中观察到的或相比，从标准的撕裂不稳定性理论和以前的非线性动力学重联模拟的预测。这一效应将增加等离子体团不稳定性在许多自然重联系统中的作用，在触发大范围自然等离子体的快速重联时应加以考虑，这些自然等离子体具有无碰撞、可压缩的流动，包括在地球磁鞘和磁尾以及在日球顶、在吸积盘以及在湍流高马赫数无碰撞激波中。
Nonthermal electron and ion acceleration by magnetic reconnection in large laser-driven plasmas
磁重联是一个基本的等离子体过程，被认为在空间物理和天体物理中与爆炸现象相关的非热粒子的产生中起着关键作用。在高能量密度设施的实验开始探测在高伦德奎斯特数和大系统尺寸的重联的微观物理。我们已经进行了粒子在细胞（PIC）模拟，探索粒子加速激光驱动的重联实验相关的参数。我们研究粒子加速在大系统的尺寸，可能很快产生的最有活力的激光驱动器，如在国家点火装置。在这些条件下，我们显示了达到多等离子体制度，其中等离子体加速成为主导的可能性。我们的研究结果表明，从\textit{X}点等离子体团为主的加速与合并和收缩的等离子体团，进一步扩展的最大能量的幂律尾的粒子分布的电子。我们还发现第一次出现的系统大小依赖的非热离子加速驱动重联，在足够大的尺寸的离子的磁化允许它们被包含在磁场和通电的直接\textit{X}点加速。在可行的实验条件下，电子和离子可以达到$ε_{max,e} / k_{B} T_{e} > 100$和$ε_{max,i} / k_{B} T_{i} > 1000$的能量。利用PIC模拟与二进制蒙特卡罗库仑碰撞，我们研究碰撞等离子体团的形成和粒子加速的影响。这些结果的影响，了解重联在加速粒子在空间物理学和天体物理学中的作用进行了讨论。
Control of Magnetic Reconnection in High Energy Density Plasmas
本研究通过第三束相对论强度激光注入电子电流丝，在激光驱动等离子体中实现了磁重联的主动控制，可根据激光到达时间加速或抑制磁重联，为聚变等离子体磁能调控及实验室天体物理研究提供新途径。
Research Opportunities in Plasma Astrophysics
主要的科学问题和研究机会被描述在10个未优先的等离子体天体物理学主题上：（1）磁重联，（2）无碰撞冲击和粒子加速，（3）波和湍流，（4）磁发电机，（5）界面和剪切不稳定性，（6）角动量输运，（7）尘埃等离子体，（8）辐射流体力学，（9）相对论，对占主导地位的强磁化等离子体，（10）喷流和外流。请注意，这是2010年1月的等离子体天体物理学机会研讨会（WOPA，https：//w3.pppl.gov/conferences/2010/WOPA/）的会议报告，该研讨会吸引了来自社区的广泛代表，并得到了美国能源部、国家航空航天局、国家科学基金会、美国物理学会等离子体天体物理学专题组和等离子体物理分部以及实验室和天体物理等离子体磁自组织中心的支持。尽管自本报告撰写以来，在科学和基础设施方面进行了大量的规划和许多发展，但其中讨论的大多数动机、优先事项、问题和技术挑战仍然没有得到解决，并且在发布时是相关的。
Fast Magnetic Reconnection: "Ideal" Tearing and the Hall Effect
磁重联的主要问题之一是具有开/关特性的触发行为的起源，一旦它被激活，在天体物理和实验室等离子体中爆炸事件的核心，快速磁能转换为动能和热能。在过去的十年里，通过等离子体团不稳定性和所谓的“理想”撕裂，在启动快速重联方面取得了进展，这种撕裂使曾经的电流片薄到临界的反纵横比$(a/L)_c$：如Pucci和Velli（2014）所示，在$(a/L)_c \sim S^{-1/3}$，不稳定性发展的时间尺度变为阿尔文时间的量级，并且与伦德奎斯特数无关（这里根据当前纸张长度$L$来定义）。然而，考虑到自然等离子体中$S$的大值，这种转变可能发生在与离子惯性长度$d_i$相当的内部电阻奇异层的厚度上。当这种情况发生时，霍尔电流产生磁场的三维四极结构，并且由霍尔效应引入的色散波加速了不稳定性。在这里，我们提出了一个线性的研究，显示如何“理想”撕裂模式的临界纵横比被修改时，霍尔效应被考虑在内，包括更一般的缩放法的增长率方面的片反纵横比：临界反纵横比被修改为$a/L \simeq (di/L)^ {0.29} (1/S)^{0.19}$，在这一点上的不稳定增长率成为Alfvénic和不依赖于任何（小）参数$d_i/L, 1/S$。我们讨论了最近开发的磁重联相图的广义触发纵横比的影响。
Dynamics of rising magnetized cavities and UHECR acceleration in clusters of galaxies
研究了活动星系核喷流在星系团中产生的低密度空洞的膨胀。这些空腔的长期稳定性需要存在链接的磁场。我们发现的解决方案描述的自相似膨胀的结构包含大规模的电磁场。与无力的spheromak状配置不同，这些解决方案没有表面电流，因此不易受电阻衰减的影响。空腔内部受外部压力限制，表面梯度为零。如果腔内等离子体的绝热指数为$Γ>4/3$，则膨胀最终导致大尺度电流片的形成。由此产生的磁场耗散只能部分抵消无线电发射电子的绝热和辐射损失。我们证明，如果大规模的电流片的形成伴随着爆炸重联的磁场，由此产生的重联层可以加速宇宙射线超高能。我们推测，朝向半人马座A的UHECR的增强的通量起源于由于磁重联的空腔。
The physical mechanisms that initiate and drive solar eruptions
太阳爆发是由于无力的日冕磁场突然不稳定。但是，使日冕进入喷发阶段，然后触发和驱动喷发，最后使其爆炸的详细机制尚未完全了解。40年来，各种各样的存储和发布模型已经被开发出来，并且相互对立。例如，光球通量出现与通量抵消，局部日冕重联与大尺度理想不稳定性和平衡损失，系绳切割与突破重联，等等，所有这些方法之间的竞争导致了通过耦合最先进的模型和观测来开发和测试所有这些概念的巨大动力。由于这些发展，现在可以将所有这些模型相互比较，并根据它们的共同和不同行为重新审视它们的解释。这种方法使我认为，实际上只有两种不同的物理机制可以启动和驱动日珥爆发：磁爆发和环面不稳定性。在这种观点下，所有其他过程（包括通量出现、通量抵消、耀斑重联和长程耦合）都应被视为导致或加强上述驱动机制之一的各种方式。
Review of Mercury's Dynamic Magnetosphere: Post-MESSENGER Era and Comparative Magnetospheres
本文综述了后信使时代水星磁层的研究，并将其与其他行星磁层，特别是地球磁层的动力学进行了比较。本文首先介绍了水星，包括它的行星际环境，磁层，外逸层和导电核心。本文综述了向阳面磁层顶频繁而强烈的磁重联，即通量传输事件“簇射”，以及它们对磁层顶的磁鞘等离子体β和磁剪切角的依赖性，以及它们对通量环流和磁层-地表-外逸层耦合的贡献。其次，综述了极端太阳事件下水星磁层的研究进展，包括太阳活动对昼侧磁层的核心感应和重联侵蚀，以及夜侧磁层的响应。然后，总结了等离子体片的晨昏特性，包括离子的特性、电流片的结构和磁重联的动力学。最后一个主题回顾了水星磁层中的粒子扰动，其中包括磁层顶边界上的开尔文-亥姆霍兹波的扰动、重联产生的磁结构和交叉尾电场。在每一章中，最后一节讨论了与每个主题相关的开放性问题，这些问题可以在模拟和未来的航天器任务中考虑。最后，我们总结了未来的BepiColombo机会，这是欧空局和JAXA之间的联合任务，正在前往水星。
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