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arXiv 2006.155012020-06-30astro-ph.HEphysics.plasm-ph

相对论电流片中磁重联的稳定性

Stabilization of Magnetic Reconnection in Relativistic Current Sheet

Masahiro Hoshino

备注：: 10 pages, 2 figures
发表信息：: The Astrophysical Journal, 900:66 (7pp), 2020 September 1
DOI：: 10.3847/1538-4357/aba59d

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摘要：

最近，相对论热等离子体被强磁场限制的磁重联在与天体物理对象（例如，脉冲星磁层和磁星）。然而，在等离子体片与相对论性高速漂移电流重联尚未调查。因此，我们从理论和计算的角度研究了相对论热等离子体片中高速漂移流的相对论重联增长率。因此，我们认为，相反的相对论重联的快速能量耗散的传统理解，磁重联的增长被抑制。

英文摘要：

Recently, magnetic reconnection, where a relativistically hot plasma is confined by a strong magnetic field, has received great attention in relation to astrophysical objects (e.g., pulsar magnetosphere and magnetar). However, reconnection with relativistic high-speed drift current in the plasma sheet has not been investigated yet. Thus, from both the theoretical and computational points of view, we studied the growth rate of relativistic reconnection for the high-speed drift current in a relativistically hot plasma sheet. Consequently, we argue that, contrary to the conventional understanding of the fast energy dissipation by the relativistic reconnection, the growth of magnetic reconnection is suppressed.

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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采用二维粒子模拟方法研究了高马赫数非相对论垂直激波下电子加速问题。SNR冲击介导的韦伯不稳定性，这是因为冲击反射和上游离子之间的相互作用激发。韦伯不稳定性的非线性演化导致电流片的形成。在湍流激波斜坡处，电流片通过磁重联衰减。重联点的数目强烈地依赖于离子-电子质量比和模拟激波的Alfvénic马赫数。在磁重联作用的位置观察到电子加速。对于最高的质量比，几乎所有的电子都参与了磁重联，这使得磁重联成为电子在这些冲击中的主要加速过程。我们讨论了我们的结果与现实的离子-电子质量比的3D系统的相关性。

2020-03-04astro-ph.HEphysics.plasm-ph

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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。

2021-05-28astro-ph.HEastro-ph.SRphysics.plasm-ph

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International Center for Theoretical Sciences ICTS-TIFR, Bengaluru, India（国际理论科学中心）

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磁重联是各种天体物理、空间和实验室环境中的基本物理过程。人们发现了许多磁重联的证据。然而，它的具体过程可能是支离破碎和动荡的，缺乏直接的观测证据。在这里，我们在SOL 2017 -09- 10 T X8.2级太阳耀斑期间观察到了一个超热电流片，显示了磁重联的碎片和湍流性质。当双边等离子体朝向电流片会聚时，在其中检测到显著的等离子体加热和非热运动。破碎电流片中间歇地喷出两股方向相反的射流，射流强度在空间频率域中呈幂律分布。向日出流急流的强度和速度在时频域上也呈幂律分布。电流片的长宽比估计大于理论阈值，从而保证了撕裂模不稳定性的发生。因此，观测结果表明，碎片和湍流磁重联发生在长拉伸电流片。

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GRMHD模拟中重联电流片的性质

The Properties of Reconnection Current Sheets in GRMHD Simulations of Radiatively Inefficient Accretion Flows

非理想MHD效应可能在确定黑洞上的辐射低效吸积流的动力学、热性质和观测特征方面发挥重要作用。特别是，粒子加速在磁重联事件可能会影响黑洞的光谱和耀斑性质。我们使用具有代表性的黑洞吸积流的GRMHD模拟来识别和探索电流片作为磁重联的潜在位置的结构和性质。在标准和正常（SANE）磁盘的情况下，我们发现，在重联网站，等离子体β范围从$0.1$到$1000$，磁化范围从$10^{-4}$到$1$，和导场是弱的重联领域相比。在磁制动（MAD）磁盘，我们发现典型的值为等离子体β从$10^{-2}$到$10^3$，磁化从$10^{-3}$到$10$，通常较强的引导场，强度相当于或大于重连场。这些是决定电子能量分布的关键参数，这些电子能量分布是由磁重联引起的，并且可以在等离子体模拟的背景下用于为全局模拟提供微物理输入。我们还发现，在重联区域有充足的磁能，为从银河系中心黑洞观察到的明亮X射线耀斑的能量提供动力。

2017-05-17astro-ph.HE

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Do plasmoids induce fast magnetic reconnection in well-resolved current sheets in 2D MHD simulations?

Universidade de São Paulo（圣保罗大学）；University of Wisconsin（威斯康星大学）

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2026-03-24astro-ph.HEhep-thphysics.plasm-ph

相对论性等离子体辐射PIC模拟：多个相互作用电流片和湍流演化

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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。

2026-05-18astro-ph.HEphysics.plasm-ph

由电流片不稳定性产生的动力驱动等离子体团

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轴对称载流等离子体团的形成在非轴对称波动的存在下，在非线性三维电阻磁流体模拟在一个全球性的环形几何形状。我们利用螺旋度注入技术来形成一个初始的极向磁通的存在下的环形引导场。当注入螺旋度时，两种类型的电流片由1）注入器区域中的相反方向的场线（初级重联电流片）和2）等离子体边缘附近的极向通量压缩（边缘电流片）形成。我们首先发现，非轴对称波动所产生的电流片不稳定性附近的等离子体边缘孤立撕裂宇称，但仍然可以快速增长（极向阿尔芬时间尺度）。这些模式通过打破电流片而饱和。第二，第一次观察到的发电机极向通量放大在reconnetion网站（在该地区的相反方向的磁场）。这种波动引起的通量放大增加了当地的伦德奎斯特数，然后触发了等离子体团不稳定性，并打破了在重联网站的主要电流片。大规模通量放大驱动的等离子体团形成，即大规模发电机，这里观察到的天体物理重联以及实验室等离子体中的快速重联事件具有强烈的影响。

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黑洞吸积盘中的磁重联与热点形成

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由于电流片中的磁重联而形成的热点或等离子体团，被用来为我们银河系中心的黑洞Sgr A* 频繁的X射线和近红外耀斑提供动力。目前还不清楚黑洞吸积盘中电流片是如何、在何处以及何时形成的。我们进行轴对称广义相对论电阻磁流体力学模拟模型的重联和等离子体团形成的吸积流的范围。电流片和等离子体团是普遍存在的特征，它们的形成与盘中的初始磁场、吸积准稳态阶段的磁化强度以及黑洞的自旋无关。在10史瓦西半径从事件视界，我们观察等离子体团形成，之后，他们可以合并，增长到宏观尺度的顺序的几个史瓦西半径，并最终平流沿射流的鞘或进入磁盘。大的等离子体团通过重连被激发到相对论温度，并有助于喷流的边缘增亮。我们发现，只有热点形成的磁制动盘可以潜在地解释能量的Sgr A* 耀斑。耀斑的周期是由重联率，我们发现在所有情况下，在0.01 c和0.03 c之间，与孤立的哈里斯型电流片重联研究一致。我们量化的磁耗散和非理想的电场，可以有效地注入非热粒子。我们表明，显式电阻率允许收敛的数值解，这样的电磁能量的演化和耗散成为独立的网格尺度的极端分辨率在这里考虑。

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演化电流片中的等离子体团不稳定性和快速重联的开始

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斯威特-帕克电流片$γ_{max}\sim S^{1/4}$中等离子体团不稳定性最大线性增长率相对于伦德奎斯特数$S$的缩放表明，在高$S$下，电流片将在接近斯威特-帕克宽度之前破裂。因此，对等离子体团不稳定性的描述必须结合电流片的演化过程。我们进行了一系列的二维模拟和诊断，以分离波动从不断变化的背景。据发现，波动幅度开始增长，只有当线性增长率足够大（$γ_{max}τ_{A}>O(1)$），以克服对流损失。线性增长率继续上升，直到等离子体团的大小变得与撕裂模式的内层宽度相当。此时，电流片被破坏，不稳定性进入早期非线性区域。增长率突然下降，但波动幅度继续增长，直到达到非线性饱和。我们确定了重要的时间尺度的不稳定发展，以及缩放的线性增长率，电流片宽度，并在电流片中断占主导地位的波数。这些缩放不仅取决于伦德奎斯特数，而且还取决于初始噪声幅度。提出了一种唯象模型，再现模拟结果的缩放。该模型采用了重连流出的效果，这是至关重要的产生一个临界伦德奎斯特数$S_{c}$以下的中断不会发生。临界伦德奎斯特数$S_{c}$不是恒定值，但对噪声幅度具有弱依赖性。

2017-10-03astro-ph.HEastro-ph.SRphysics.flu-dyn

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2024-09-09astro-ph.HE

相对论磁重联中同步辐射对产生平衡

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磁重联在天体物理系统中是普遍存在的，并且在许多这样的系统中，等离子体由于同步辐射而遭受显著冷却。我们研究了强同步辐射冷却条件下的相对论磁重联，其中环境磁化强度$σ$很高，系统的磁紧度$\ell_{B}$为1阶.在这种情况下，从同步加速器光子产生$e^{\pm}$对是不可避免的，并且该过程可以调节电流片周围的磁化$σ$。我们调查这种自我调节分析，并找到一个自洽的稳定状态，对于一个给定的磁紧度的系统和初始磁化。这一结果有助于估计自洽的上游磁化等离子体密度约束不佳的系统中，可以是有用的各种天体物理系统。作为说明性的例子，我们应用它来研究M87的超大质量黑洞附近的重联电流片的性质，以及蟹状星云脉冲星光柱外的赤道电流片。

2022-09-07astro-ph.HE

克里普斯黑洞背景下的离心力和重力电磁力作用下的磁重联

Magnetic reconnection under centrifugal and gravitational electromotive forces

Guangzhou University（广州大学）；Beijing Normal University（北京师范大学）；Ningbo University（宁波大学）；Peking University（北京大学）

研究离心力和重力电磁力对克里普斯黑洞背景中磁重联的影响，发现两者均增加重联速率，但机制不同。重力导致电荷分离破坏等离子体近中性，离心力则通过缩短电流片有效长度影响电流。

2024-12-08astro-ph.HEgr-qc

二维还是非二维？利用高精度数值模拟探索三维相对论磁重联动力学

2D or not 2D? Exploring 3D relativistic magnetic reconnection dynamics with highly accurate numerical simulations

University of Toronto（多伦多大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Università degli Studi di Torino（都灵大学）；Institut d’Astrophysique de Paris, UMR 7095, CNRS & Sorbonne Université（巴黎天体物理研究所，UMR 7095，法国国家科学研究中心与索邦大学）；Université Paris-Saclay, Université Paris Cité, CEA, CNRS, AIM（巴黎萨克雷大学，巴黎西岱大学，法国原子能和替代能源委员会，法国国家科学研究中心，AIM）；INFN - sezione di Torino（意大利国家核物理研究所都灵分部）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Università degli Studi di Firenze（佛罗伦萨大学）；INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri（意大利国家天体物理研究所阿切尔奇天文台）

该研究通过高精度三维数值模拟，探讨了相对论磁重联过程中三维与二维模拟在磁能耗散效率上的差异，揭示了电流层配置和局部等离子体条件对重联动态的关键影响。

2026-02-09astro-ph.HE

脉冲星射电发射机制：射电纳爆作为相对论磁重联的低频余辉

Pulsar Radio Emission Mechanism: Radio Nanoshots as a Low Frequency Afterglow of Relativistic Magnetic Reconnection

在这封信中，我们提出蟹状星云、其他年轻的高能双星和毫秒双星的相干射电发射是在光柱之外的磁层电流片中产生的。我们进行了全球和局部的二维动力学等离子体模拟的重联来说明相干发射机制。在非常有效的等离子体团为主的制度，在电流片超出轻圆柱的重新连接进行，和电流层被分割成一个动态链的等离子体团进行连续的合并。足够大的等离子体团的合并产生次级垂直电流片，这也是等离子体团不稳定的。等离子体团相互碰撞以及与上游磁场的碰撞会喷射出快磁声波，这些快磁声波穿过背景场向上游传播，并成功地从等离子体中逃逸，成为落在无线电波段的电磁波。这个模型成功地解释了许多重要的特点，观察到的无线电发射从螃蟹和其他天体与高磁场在光柱：相位重合的高能量发射，纳秒持续时间（nanoshots），和极端的瞬时亮度的个人脉冲。

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理想与电阻相对论磁流体力学、理想磁动力学及电阻无力电动力学中的磁扩散与重联比较

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本研究比较四种物理模型的磁扩散与重联特性，发现理想模型数值电阻率难复现显式电阻关键特征，明确了不同模型在磁衰减、重联率标度及结构上的差异，为高能天体模拟模型选择提供依据。

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