Radiative Particle-in-Cell Simulations of Turbulent Comptonization in Magnetized Black-Hole Coronae
本文首次利用辐射粒子模拟研究中等光学深度等离子体中的阿尔芬湍流，揭示黑洞冕中体康普顿化主导形成约100 keV发射峰、非热粒子产生MeV谱尾的机制，并成功复现Cyg X-1硬态谱。
2024-01-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Relativistic Turbulence with Strong Synchrotron and Synchrotron-Self-Compton Cooling
高能天体物理学中的许多相对论等离子体环境，包括脉冲星风星云、黑洞上的热吸积流、活动星系核中的相对论喷流和伽马射线暴以及巨型射电瓣，都是自然湍流的。这些环境中的等离子体通常非常热，以至于同步加速器和逆康普顿（IC）辐射冷却变得非常重要。在本文中，我们调查的一般热力学和辐射性质（因此观测外观）的光学薄相对论热等离子体驱动磁流体（MHD）湍流搅拌和辐射冷却。我们发现，如果系统达到一个统计平衡的湍流加热是平衡的辐射冷却，有效的电子温度往往达到一个通用的值$θ= kT_e/m_e c^2 \sim 1/\sqrt{τ_T}$，其中$τ_T=n_eσ_T L \ll 1$是系统的汤姆逊光学深度，基本上独立的湍流驱动或磁场的强度。这是因为MHD湍流耗散和同步加速器冷却都与磁能密度成正比。我们还发现，同步自康普顿（SSC）冷却，也许是一些高阶IC组件自动可比同步加速器在这个政权。整个宽带辐射光谱由几个不同的组成部分（同步加速器，SSC等），在光子能量上很好地分离（通过因子$\sim τ_T^{-1}$）并且在功率上大致相等。IC峰的数量由Klein-Nishina效应检查，并在数学上取决于$τ_T$和磁场。我们还研究了由于同步自吸收的限制，探索应用蟹状PWN和耀变体喷气机，并讨论了辐射磁重联的联系。
2019-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative turbulent flares in magnetically-dominated plasmas
我们进行二维和三维动力学模拟重联介导的湍流耀斑在磁化的电子-正电子等离子体，弱和强的辐射冷却。这样的耀斑可以在中子星和吸积的黑洞周围产生。我们专注于磁占主导地位的制度的背景磁场线的张力超过等离子体静止质量的一个因素$σ_0 > 1$。在模拟中，湍流激发宏观尺度$l_0$，我们观察到，它的发展，形成薄，动态电流片在各种尺度上。沉积的宏观能量通过激励热粒子和非热粒子而耗散。粒子的能量分布是由脉冲加速在重新连接电流片，逐步随机加速，和辐射损失。我们用光穿越时间$l_0/c$与冷却时标的比值$A$来参数化辐射冷却，并研究了增加$A$对耀斑的影响。当辐射损失足够弱时，$A<σ_0^{-1}$，产生的辐射主要是由随机加速的粒子，辐射功率在热力学上取决于$A$。由此产生的耀斑辐射光谱是广泛的和各向异性的。在强冷却制度，$A>σ_0^{-1}$，随机加速被抑制，而在电流片脉冲加速继续运作。随着$A$进一步增加，发射变得由热粒子主导。我们的模拟提供了一个新的工具来研究粒子加速湍流，特别是在高能量，冷却与加速竞争。我们发现，粒子的分布是由强的耗散不稳定性的影响，和随机加速度不能描述的一个普遍的扩散系数。
2021-09-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The thermal-radiative wind in the neutron star low mass X-ray binary GX 13+1
我们拟合观测到的高电离X射线吸收线的中子星双星GX 13 +1与一个完整的模拟的热辐射风。这使用辐射流体动力学代码耦合到蒙特卡罗辐射转移来计算从氢和氦类铁和镍中观察到的谱线轮廓，包括所有强Kα和Kβ跃迁。风是非常强大的，因为这个对象有一个非常大的圆盘，是非常发光。当离子柱较大时，Fe Kα的吸收谱线强烈饱和，因此谱线等效宽度（EW）对速度结构敏感。我们还模拟了包括各向同性湍流水平的方位角和径向速度的线。我们将这些模型拟合到最高分辨率Chandra三阶HETGS数据中看到的Fe XXV和XXVI吸收线。这些数据已经排除了在~500 km/s的径向速度水平上增加湍流。由热辐射风单独预测的速度结构与观测到的廓线相当吻合，在方位角速度约为100 km/s的水平上，额外湍流的上限。这对来自磁加速度的任何剩余贡献给出了严格的约束。
2020-07-29 astro-ph.HE
Synchrotron-Regulated Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence: Emission, Polarization, and Faraday Rotation
Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；University of Maryland（马里兰大学）；Stanford University（斯坦福大学）
该研究通过相对论磁流体动力学模拟结合同步辐射冷却，探究高能天体物理系统中湍流与辐射的关联，发现模拟结果与快速射电暴等天体观测定性相似，揭示湍流在高能天体源辐射及传播效应中的重要作用。
2026-08-18 astro-ph.HE
Non-linear collisionless damping of Weibel turbulence in relativistic blast waves
在弱磁化无碰撞冲击波的物理学中，韦伯/双折射不稳定性起着关键的作用。从高能天体物理学的角度来看，这种不稳定性也起着至关重要的作用，因为它在激波前兆中的发展使下游充满了小尺度的静磁湍流，这种湍流形成了超热粒子的加速和辐射过程。本工作讨论了相对论性无碰撞冲击波的韦伯产生的湍流下游的耗散的物理。它明确地计算与粒子轨迹的扩散性质相关的一阶非线性项。这些修正被发现系统地增加阻尼率，假设散射长度保持大于磁波动的相干长度。这种校正的相关性进行了讨论，在更广泛的天体物理学的角度来看，特别是关于物理学的外部相对论性冲击波的伽马射线暴。
2014-10-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stochastic Averaging of Radiative Transfer Coefficients for Relativistic Electrons
本文提出随机平均方法，通过分解电子分布函数高效计算相对论电子的同步辐射与法拉第输运系数，并应用于 κ 分布光线追踪及亚网格湍流发射率评估。
2024-05-22 astro-ph.HE
Non-steady heating of cool cores of galaxy clusters by ubiquitous turbulence and AGN
最近的宇宙学模拟表明，湍流应该普遍存在于星系团中，因为星系团通过物质吸积不断增长。利用一维流体动力学模拟，我们研究了普遍存在的湍流以及中央活动星系核（AGN）的反馈对冷核星系团的加热，在很宽的星系团和湍流参数范围内，重点关注核心的全球稳定性。我们发现，AGN显示间歇性活动的存在下，与Hitomi观察到的一个类似的中度湍流。团核在大部分时间内保持准平衡态，因为通过湍流扩散的加热与辐射冷却几乎平衡。由于辐射冷却的微弱优势，平衡逐渐失去，活动星系核被增加的气体流入点燃。最后，当活动星系核爆发时，核心几乎瞬间被加热。由于预先存在的湍流，被加热的气体分布在整个堆芯中，而不会变得全局不稳定并引起灾难性的冷却，并且堆芯恢复准平衡态。活动星系核的爆发在质量较低的星系团中可能更强。我们模型的预测可以很容易地用未来的X射线任务（如XRISM和雅典娜）进行检查。
2020-05-20 astro-ph.GA astro-ph.HE
Balancing Turbulent Heating with Radiative Cooling in Blazars
最近，粒子在细胞（PIC）模拟表明，在无碰撞等离子体中的相对论性湍流可以导致一个平衡的粒子分布函数，其中湍流加热平衡的辐射冷却的电子。强磁化等离子体的特征是具有更高的能量峰值和更宽的粒子分布。在相对论运动的天体物理喷流中，人们认为，喷流是由坡印廷通量主导的，由此产生的磁不稳定性可能在喷流内部产生湍流环境，即，相对论性湍流的状态。在本文中，我们扩展以前的PIC模拟结果，等离子体磁化强度较大的值，通过线性外推的扩散和平流系数相关的湍流等离子体考虑。我们利用这些结果建立了一个基于blazar发射区全局参数的单区湍流喷流模型，并一致地计算了粒子分布和由此产生的同步辐射和逆康普顿发射谱。然后，我们测试我们的模型进行比较，其预测与宽带静态发射光谱的十几个耀变体。我们的研究结果表明，低同步辐射峰值（LSP）源的观测结果吻合得很好，并发现LSP是中等坡印廷通量为主的磁化$1\lesssim σ\lesssim 5$，有大量的洛伦兹因子$Γ\sim 10-30$，湍流区位于边缘，或刚刚超过，宽线区（BLR）。湍流被发现是在一个区域驱动的射流截面。
2022-01-19 astro-ph.HE
Fully Convective Magnetorotational Turbulence in Stratified Shearing Boxes
本文用数值方法研究了分层剪切盒中的湍流和发电机作用，其中磁通量为零。我们假设流体服从理想气体定律，并具有有限（常数）的热扩散率。我们在垂直边界处选择辐射边界条件，其中热通量与温度的四次方成比例。我们比较的结果与相应的情况下，其中固定的温度边界条件。最值得注意的结果是，形成一个完全对流的状态，其中密度几乎是恒定的高度的函数和热量被输送到上下边界的翻转运动是强大的，即使在辐射边界条件的情况下仍然存在。有趣的是，在对流制度，虽然扩散运输是可以忽略不计的平均层结不松弛到绝热状态。
2013-06-14 astro-ph.HE astro-ph.SR
Radiation-induced electron spin polarization in ultrarelativistic kinetic turbulence
Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院理论物理研究所）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）
利用粒子网格模拟研究高磁化条件下超相对论动力学湍流辐射等离子体中的电子自旋极化，发现非平衡湍流演化中轻子发射高能光子伴随自旋翻转可维持显著自旋极化，并识别出电磁动力学湍流区域，其特征参数由电场与磁场能量密度之比界定。
2026-09-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Energy Cascade and Damping in Fast-Mode Compressible Turbulence
该研究利用高分辨率动力学模拟证明，强非线性可压缩湍流在相位陡化产生激波时仍保持能量级联，且MHD尺度阻尼符合渡越时间阻尼理论。
2025-09-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
A thermally stable heating mechanism for the intracluster medium: turbulence, magnetic fields and plasma instabilities
我们考虑的问题，自我调节加热和冷却的星系团和集群磁场和湍流的影响。弱碰撞磁化等离子体的粘性加热由相对于局部磁场方向的压力各向异性来调节。团内介质是高β等离子体，其中由湍流应力引起的压力各向异性以及随之而来的磁场的局部变化将触发非常快速的微尺度不稳定性。我们认为，这些不稳定性的净效应将是钉在一个边际水平的压力各向异性，控制等离子体β参数。这就产生了与辐射冷却率相当的局部加热率。此外，我们表明，这种加热和韧致辐射冷却之间的平衡是热稳定的，不像冷却和热传导之间的平衡经常被破坏。如果有足够的（可能是自我调节的）湍流能量供应，这就提供了一种减轻冷却流和防止集群核心崩溃的物理机制。对于观测到的密度和温度分布，假设的粘性加热和辐射冷却的平衡使我们能够预测磁场强度，湍流速度和湍流尺度的函数，从中心的距离。具体的预测和观察比较给出了几个不同的集群。我们的预测可以通过未来对星团磁场和湍流速度的观测来进一步检验。
2010-08-21 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
General-relativistic and non-ideal radiative cooling in neutron star magnetospheres
The Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯理论物理中心）
研究辐射反冲冷却在中子星磁层中的效应，发现非均匀电磁场和广义相对论增强相空间动力学不稳定性，有利于相干辐射发射。
2026-06-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Acceleration of Relativistic Electrons by MHD Turbulence: Implications for Non-thermal Emission from Black Hole Accretion Disks
我们使用分析估计和数值模拟的测试粒子与磁流体动力学（MHD）湍流相互作用，以表明亚音速MHD湍流产生有效的相对论粒子的二阶费米加速。这种加速不能用标准的准线性理论很好地描述，而是MHD湍流中波粒相互作用共振展宽的结果。我们提供的动量扩散系数，可用于天体物理和日光层的应用，并讨论我们的吸积流到黑洞的结果的影响。特别是，我们表明，在辐射效率低的吸积流的亚音速湍流粒子加速可以产生一个非热尾的电子分布函数，这可能是重要的建模和解释发射低光度系统，如Sgr A* 和M87。
2014-07-27 astro-ph.HE
Particle acceleration up to the synchrotron burn-off limit in relativistic magnetized turbulence
Focused Energy GmbH（Focused Energy有限公司）
研究揭示在相对论性磁化湍流中，粒子加速可达到同步辐射熄灭极限，其能量谱在该极限处陡峭上升，为解释高能同步辐射提供新机制。
2025-12-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Extreme TeV BL Lacs: a self-consistent stochastic acceleration model
最近，一种特定类型的耀变体引起了伽马射线天文学界的注意：极端TeV BL Lac，即在极高能量下呈现极其高能和硬发射的耀变体。解释它们的特征仍然是一个公开的挑战，事实上，最常用的唯象模型很难令人满意地再现它们的SED。基于我们最近提出的一种方案，我们假设非热粒子首先被射流准定常激波加速，这在射流的其余部分引起湍流。非热粒子被湍流进一步加速，这使粒子光谱变硬，从而使辐射发射变硬。考虑到等离子体的物理性质，如发射模型所推断的，我们预计加速粒子对湍流的强烈影响。假设各向同性和均匀性，非热粒子和湍流之间的相互作用和它们的光谱建模求解两个非线性，耦合的福克-普朗克方程的系统，而辐射发射通过同步自康普顿模型计算。然后，我们的模型预测的排放量进行比较，与原型极端TeV BL Lac对象1 ES 0229+200和获得的参数再现其SED是符合预期的。
2022-09-23 astro-ph.HE
Hysteresis and thermal limit cycles in MRI simulations of accretion discs
低质量双星系统周期性的爆发反映了其相关吸积盘的热状态变化。观测到的爆发与氢在5000 K附近电离时盘不透明度的强烈变化有关。这种物理导致吸积盘模型，表现出双稳态和热极限环，从而光盘之间的一个家庭的冷和低吸积状态和家庭的热和有效的吸积状态跳跃。以前的模型通过α（或“涡流”）粘度参数化圆盘湍流。在本文中，我们对待湍流更现实地通过一套局部几何的磁旋转不稳定性（MRI）的数值模拟。辐射冷却是通过一个简单的，但物理动机的处方。我们显示的存在下的热平衡，从而热极限环的前景，并在这样做表明，MRI引起的湍流是与经典理论兼容。我们的模拟还表明，湍流应力和压力扰动只是弱相互依赖的轨道时间，因此，热不稳定性连接到湍流加热（相对于辐射冷却）的变化是不太可能的操作，在协议与以前的数值结果。我们的工作提出了第一步，统一模拟全磁流体湍流与正确的热和辐射物理的爆发盘与矮新星，低质量X射线双星，并可能年轻的恒星物体。
2012-08-21 astro-ph.HE astro-ph.SR
Collisionless Relativistic Shocks:current driven turbulence and particle acceleration
本文介绍了中等磁化强度的无碰撞相对论激波的物理性质。微观物理学与解释自然界中能量最大的辐射现象，即伽马射线暴的终止激波有关。当磁化强度在临界值附近降低时，会发生向费米过程的转变，这是散射打破平均场抑制的条件。散射是由返回粒子所携带的电流驱动的磁微湍流产生的，这一点到目前为止还没有被考虑过，但事实证明它比魏贝尔在跃迁周围的磁场更强烈。水流还对来流的运动产生缓冲作用，湍流的起始阈值取决于来流的运动。
2014-01-28 astro-ph.HE
Magnetic energy dissipation and origin of non-thermal spectra in radiatively efficient relativistic sources
湍流磁场的耗散是解释高能天体物理源中非热粒子起源的一个吸引人的方案。然而，有人提出，当辐射（同步加速器和/或逆康普顿）损失严重时，粒子分布可能会有效地热化。受最近相对论湍流的PIC模拟的启发，该模拟表明，电子在间歇性电流片中被与局部磁场对齐的强电场脉冲加热，我们认为，在粒子数密度由对主导的等离子体中，（电子-正电子和电子-正电子-离子等离子体）：（i）作为快速冷却和不同注入时间的影响，对于$γ\lesssimγ_{\rm heat}$，电子能量分布为${\rm d}n_e/{\rm d}γ\proptoγ^{-2}$（洛伦兹因子$γ_{\rm heat}$接近均分值），而分布在较高能量处变陡;（ii）由于湍流场衰减的时间尺度和光子逃逸的时间尺度是相同的，耗散区的磁场和辐射能量密度相当;（iii）如果等离子体的质量能量由离子成分支配，则具有小于临界因子的洛伦兹因子的对（质子与电子质量比的数量级）变得各向同性，而螺距角保持较小。概述的情况是一致的典型条件下所需的复制光谱能量分布的耀变体，并允许一个估计的磁化强度的发射网站。最后，我们表明，在蟹状星云内的湍流可能会电源所观察到的伽马射线耀斑，如果脉冲星风是近电荷分离在高纬度地区。
2020-01-08 astro-ph.HE
Simulations of two-temperature jets in galaxy clusters: I. Effect of jet magnetization on dynamics and electron heating
本研究通过开展改变磁化参数的星系团亚相对论喷流双温度三维磁流体模拟，探究湍流与激波的电子加热模型对电质子热分布的影响，发现质子能量占优，热电子趋磁能均分，双温模型可解释低辐射效率射电腔但无法复现高辐射效率腔，暗示后者需大量对等离子体。
2023-10-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic-ray pressure driven magnetic field amplification: dimensional, radiative and field orientation effects
对几个超新星遗迹的非热辐射的观测表明，爆炸波附近的磁场要比通过星际介质（ISM）对磁场进行简单的冲击压缩而天真地预期的强得多。我们调查了一些详细的一个简单的模型的基础上产生的宇宙射线压力梯度湍流。在此之前，该模型使用2D MHD模拟进行了研究。受2D和3D湍流之间众所周知的定性差异的启发，我们进一步使用2D和3D模拟来研究模拟的维度对所实现的场放大的影响。此外，由于该模型意味着形成的冲击，原则上，可以有效地冷却碰撞冷却，我们包括这样的冷却在我们的模拟，以确定它是否可以增加实现的场放大。最后，我们研究了不同方向的磁场相对于正常的爆炸波的影响。我们发现，维度有轻微的影响，实现整体放大，但放大场的形态上的显着影响。碰撞冷却的影响非常小，主要是由于ISM中的任何元素在超新星爆炸波的前体区域停留的时间都很短。即使考虑到磁场的取向范围很广，我们发现，磁场可以预期被放大，平均而言，至少一个数量级的超新星爆炸波的前体。
2014-07-21 astro-ph.HE
