Kinetic simulation of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. IV. Electron heating
高马赫数无碰撞激波存在于行星系统和超新星遗迹中。电子在这些冲击中被加热到远高于朗肯-于戈尼奥预测的温度。然而，负责电子加热的过程仍然没有得到很好的理解。我们使用一组大尺度的Particle-In-Cell方法模拟了高马赫数区域的非相对论激波，以阐明电子加热过程。这些冲击的物理性质由冲击斜坡处的离子反射定义。反射离子和上游等离子体的进一步相互作用激发静电布尼曼和双流离子-离子韦伯不稳定性。电子通过激波冲浪加速、激波势、磁重联、随机费米散射和激波压缩被加热。主要贡献者是冲击电位。磁场线由于韦伯不稳定性而缠结，这允许由冲击电位加热平行电子。电子加热的约束模型预测的离子-电子温度比在SNR冲击和土星的弓冲击观测值。
2020-08-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Kinetic Simulations of Cosmic-Ray-Modified Shocks II: Particle Spectra
扩散激波加速是在空间和天体物理系统中产生高能粒子的一种重要机制。这种高能粒子长期以来被预测会影响激波的流体动力学结构，从而导致CR谱比测试粒子预测的更平坦。然而，在这项工作以及一个配套文件，C。C. Haggerty和D. Caprioli，2020，arXiv：2008.12308 [astro-ph.HE]，我们使用自洽混合（动力学离子-流体电子）模拟首次展示了CR修改的冲击实际上如何产生更陡的光谱。陡化是由嵌入在激波下游的磁湍流中的CR的增强平流驱动的，我们称之为“后标”。这些结果与超新星和超新星遗迹的多波长观测一致，并且对一般空间/天体物理冲击具有重要的现象学意义。
2020-09-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Polarized Emission of Intrabinary Shocks in Spider Pulsars from Global 3D Kinetic Simulations
首次通过全局3D动理学模拟研究蜘蛛脉冲星双星内激波，预测了其随磁场、冷却强度和倾角变化的偏振辐射特性，并重现了双峰光变曲线，为未来X射线偏振观测提供检验依据。
2025-08-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The collisionless hydrodynamics: On the nonexistence of collisionless shocks
本文提出无碰撞流体动力学理论，证明1+1维静电无碰撞激波无法形成统计稳态解，并通过数值模拟证实空间中仅存在随时间线性增长的临界稳定速度分布函数连续序列。
2025-01-28 astro-ph.HE
Modeling long GRBs using a single shock with relativistic radiation hydrodynamics
我们探讨了一个单一的相对论冲击，其中的气体动力学与辐射耦合，可以适合长伽玛暴的光变曲线的可能性。为此，我们数值求解一维相对论辐射流体力学方程组与一个单一的初始冲击。我们计算光变曲线由于这个冲击波的速度，气体的不透明度，质量密度和辐射能量的密度方面的演变。我们探讨这些参数的变化如何在光变曲线中提供不同的功能。作为例子，我们包括两个长伽玛暴的拟合。
2016-04-12 astro-ph.HE
Morphology of Shocked Lateral Outflows in Colliding Hydrodynamic Flows
发生在原恒星喷流等现象中的超音速相互作用流会引起强烈的激波，并已在几个实验室实验中得到证实。为了研究这种碰撞流，我们使用AstroBEAR AMR代码进行三维流体动力学模拟。为了研究由两个不一定对称的高超音速流之间的碰撞形成的弓形激波的传播和锥形形状，我们引入了碰撞流的密度、速度和横截面半径等流动参数的变化。我们发现，相互作用区域的运动是由两个流之间的冲压压力的不平衡驱动的，而弓形激波的圆锥形结构是当流具有不同的横截面时，从水平方向偏转的受冲击的横向流出（SLO）的结果。
2022-12-11 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
2D radiaition-hydrodynamic simulations of supernova shock breakout in bipolar explosions of a blue supergiant progenitor
发展了一个二维狭义相对论辐射流体动力学程序，并应用于蓝超巨星双极爆炸中超新星激波爆发的数值模拟。我们的计算成功地模拟了恒星中爆炸波的动力学演化及其从表面出现。球形能量沉积模型的结果与以前的模拟显示出良好的一致性。此外，我们计算了几个模型的双极能量沉积和比较他们的结果与球对称模型。用射线追迹法计算了冲击波爆发辐射的辐射热光变曲线。我们的辐射流体动力学模型表明，冲击波爆发发射的早期部分可以用来探测由于铁芯的引力坍缩而产生的爆炸波的几何形状。
2016-05-26 astro-ph.HE
Radiation-mediated shocks: kinetic processes and transition to collisionless shocks
我们分析了辐射介导的冲击波在任意冲击波速度的主要特点，无论是非相对论和相对论。我们描述了两种机制，这可能会导致形成一个尖锐的粘性亚激波，否则光滑的速度分布在冲击波阵面，即使在上游的辐射压力是压倒性的大。这些机制是次相对论性和相对论性辐射介导的激波所特有的，并将高速激波与非相对论性激波区分开来，如果辐射压力足够高，非相对论性激波就不会形成次激波。我们简要讨论了这一发现的影响。
2018-12-24 astro-ph.HE
Kinetic simulations of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. II. Influence of shock-surfing acceleration on downstream electron spectra
我们探讨电子预加速在高马赫数非相对论性垂直冲击，例如，年轻的超新星遗迹，这是通过扩散激波加速进一步加速到非常高能量的先决条件。使用完全动力学的粒子在细胞中的冲击和电子动力学模拟，我们调查的冲击冲浪加速度在冲击脚的冲击下游的电子的非热人口的影响。激波冲浪加速之后是激波斜坡处的进一步加速，在那里韦伯不稳定性产生一种二阶费米加速。这两个过程的结合导致形成一个非热电子人口，但冲击冲浪加速的重要性变得较小的离子与电子的质量比在模拟中。我们讨论了由此产生的电子光谱和我们的结果与真实的离子-电子质量比和完全三维行为的系统的物理学的相关性。
2019-09-11 astro-ph.HE
Relativistic Guiding-Center Motion: Action Principle, Kinetic Theory, and Hydrodynamics
本文基于相对论协变作用量原理建立弯曲时空中的导心动力学，并推导其动理学与三方程理想流体力学，以描述强耦合等离子体。
2024-10-02 astro-ph.HE hep-th nucl-th
MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation
对激波的研究长期以来表明，激波可以在离子回旋周期的时间尺度上进行周期性的自我重整。这一过程被认为是激波时能量耗散和高能粒子加速的主要机制。然而，非生物观测证据仍然难以捉摸。在这里，我们报告的自我改造过程中的无碰撞，高马赫数，准垂直冲击MMS测量的直接观察。我们发现，反射的离子由旧的冲击斜坡形成一个明确的相空间涡旋，这引起了一个新的斜坡。MMS2观测到的新斜坡在自我重整期间尚未发展到成熟阶段，并且不足以反射入射离子。因此，这些离子仅略微减慢，并且从新斜坡一直到旧斜坡显示出平坦的速度分布。这些结果为激波自我重整提供了直接的证据，也为宇宙中无碰撞激波的能量耗散和高能粒子加速提供了新的线索。
2021-08-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Mach Number Dependence of Ion-scale Kinetic Instability at Collisionless Perpendicular Shock: Condition for Weibel-dominated Shock
本文采用线性理论和非线性粒子模拟方法研究了无碰撞激波下离子尺度动力学等离子体不稳定性。我们专注于阿尔文离子回旋（AIC），镜子，和韦伯不稳定性，这都是驱动不稳定的有效温度各向异性诱导的冲击反射离子在过渡层内的严格垂直冲击。我们进行线性色散分析与均匀等离子体模型来模拟激波过渡层，采用环形分布与有限的热扩散来代表反射离子的速度分布。我们发现，对于平行于环境磁场的波传播，在较低的阿尔文马赫数的AIC不稳定性倾向于过渡到韦伯不稳定性在较高的阿尔文马赫数。然而，不稳定性也强烈地受到声马赫数的影响。我们的结论是，在阿尔文和声音马赫数都超过$\sim 20{\rm -}40$的强激波的不稳定性可以被认为是韦伯的意义上，反射离子的行为基本上未磁化。二维PIC模拟证实了线性理论，并发现，与典型的年轻超新星遗迹冲击参数，环分布模型产生的背景磁场，这是小于以前的PIC模拟中观察到的韦伯为主的冲击的顺序的磁波动。这表明，回旋反射离子分布的假设可能不足以定量预测高马赫数冲击的动力学的非线性行为。
2021-07-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
A semi-analytical solution to the forward-reverse shock hydrodynamics of the gamma-ray burst afterglow
本文将标准的伽马射线暴（GRB）余辉正反向激波（FS-RS）模型推广到更一般的情况。一方面，我们推导了两种极限情况下激波流体动力学的解析解，超相对论反激波和牛顿反激波。在这两种极限情况下的渐近解的基础上，我们构成了一个半解析解的一般情况下的冲击的流体动力学，涵盖轻度相对论性的反向冲击的情况下。另一方面，我们推导出的系统的演化考虑到能量守恒的条件，这是不满足标准的FS-RS模型。给出了半解析表达式的一般解法。在扩展的标准FS-RS模型（满足压力平衡条件）和满足能量守恒的模型中，我们发现在相同的初始条件下，超相对论性反激波情形和牛顿反激波的早期情形的结果与标准FS-RS模型的结果相差仅一个接近1的因子。然而，在极限情况下的渐近解是不好的近似那些在中间的情况。在较大的模型参数范围内，我们的半解析结果与数值结果吻合较好，因此可以很容易地用于诊断伽玛暴壳层和环爆环境的物理量。
2022-04-27 astro-ph.HE
Numerical simulations of internal shocks in spherical geometry: hydrodynamics and prompt emission
本研究通过流体动力学模拟，在球对称几何下验证内激波模型，发现球对称效应使激波强度随半径减小，导致峰值频率下降更快，峰值通量饱和，并追溯到源活动时间尺度。
2025-05-27 astro-ph.HE
Numeric spectral radiation hydrodynamic calculations of supernova shock breakouts
我们在这里提出了一个有效的数值方案求解非相对论性的一维辐射流体力学方程，包括非弹性康普顿散射，这是不包括在大多数代码，是至关重要的解决问题，如冲击爆发。所设计的代码被应用到稳态平面辐射介导的冲击（RMS）和RMS从恒星信封爆发的问题。计算结果与前人在激波爆发\citep{Sapir13}中假设物质与辐射之间为康普顿平衡，用“有效光子”近似描述辐射谱的结果一致。特别是，我们表明，光度和时间的依赖性，在突破时的峰值温度，和普遍的形状，在这个早期的工作中得出的光谱通量都是准确的。虽然由于有效光子近似对有效光子产生率的估计不准确，有效光子产生率随着密度的降低和速度的提高而增加，所以光谱计算和有效光子近似之间存在差异，但是对于蓝超巨星中最不一致的快速激波情况，峰值温度的差异仅达到$30\%$。恒星包层激波爆发模型的结果与观测到的X射线闪光的性质的不一致性以及X射线闪光\citep{Sapir13}的预测率与观测率之间的差异仍然无法解释。
2014-08-10 astro-ph.HE
Kinetic Simulation on Electron, Proton and Helium Acceleration in a Nonrelativistic Quasiparallel shock
除了电子和质子外，非相对论性准平行激波也被认为具有加速重离子的能力。超新星遗迹中的激波通常被认为是银河系宇宙射线的加速器，宇宙射线由许多种类的粒子组成。本文采用一维粒子模拟方法研究了电子、质子和氦离子在非相对论准平行激波中的扩散激波加速（DSA），氦-质子数密度比为$0.1$，这与银河系宇宙射线有关。模拟结果表明，在激波静止坐标系下，音速马赫数为14，alfvén马赫数为19.5的非相对论准平行激波上游的高能质子和氦离子流可以激发波，带电粒子被自生波散射并逐渐加速.此外，冲击波下游带电粒子的光谱是热的加上非热的尾巴，加速是有效的，大约$7\%$和$5.4\%$的散装动能转移到非热质子和氦离子在近下游区域的模拟结束时，分别。
2022-03-29 astro-ph.HE
Global Kinetic Modeling of the Intrabinary Shock in Spider Pulsars
蜘蛛双星是由一颗毫秒脉冲星和一颗低质量伴星组成的紧凑双星系统。相对论性的以磁为主的脉冲星风撞击到伴星上，烧蚀它并慢慢消耗它的大气层。这种相互作用形成了二元内冲击，这是粒子加速的一个建议位置。我们进行全球完全动力学的粒子在细胞内模拟的intrabinary冲击，假设脉冲星风由平面平行条纹交替极性和冲击周围的同伴。我们发现，粒子有效地加速通过冲击驱动的重联。我们提取的第一性原理同步辐射光谱和光变曲线与X射线观测结果吻合得很好：（1）同步辐射光谱几乎是平坦的，即$F_ν\propto {\rm const}$ ;（2）当脉冲星自旋轴与轨道角动量接近一致时，光变曲线在脉冲星食前后出现两个峰值（脉冲星上合），相位由$\sim 0.8\, {\rm rad}$分开;（3）峰值通量超过下合处的峰值通量十倍。我们证明，双峰签名的光变曲线是由于多普勒增压后的冲击流。
2022-02-28 astro-ph.HE
Asymptotic Steady State Solution to a Bow Shock with an Infinite Mach Number
本文考虑冷气体流过静止物体的问题。它示出，在大的距离从障碍物的冲击波阵面形成一个抛物线立体的革命。激波阵面的内部由抛物坐标系下的流体动力学方程的解得到。结果与水动力学模拟进行了验证。拖曳力和预期的光谱计算这样的冲击，无论是在光学薄和厚介质的情况下。最后，讨论了斜激波与天体物理学弓形激波和其它分析工作的关系。
2015-10-26 astro-ph.HE
Kinetic simulations of mildly relativistic shocks I: particle acceleration in high Mach number shocks
我们使用完全动力学的粒子在细胞中的模拟与前所未有的大的横向盒的大小来研究粒子加速弱磁化温和相对论性的冲击，在速度$\approx 0.75c$和马赫数为15。我们研究了亚光速（准平行）和超光速（准垂直）的磁场方向。我们发现，准平行冲击介导的非热离子驱动的非共振（贝尔）不稳定性，产生的尺度上的磁波动的离子回旋半径。在准平行冲击中，电子和离子都被加速到非热幂律，其最大能量随时间线性增长。电子的上游加热很小，两种物质进入激波阵面时处于大致的热平衡。冲击波的结构很复杂，反射的非热离子流抽空了上游的空腔，这些空腔一旦平流到下游就形成了放大的磁场细丝。在后期，冲击波能量的$10\%$进入非热质子，而$\gtrsim10\%$进入磁场。我们发现，适当地捕获由非热离子驱动的磁湍流是重要的，正确地测量非热电子的能量分数，$ε_e$。我们发现$ε_e\sim 5\times10^{-4}$准平行冲击与$v=0.75c$，略大于在非相对论冲击模拟测量。在准垂直冲击中，离子或电子中不存在非热幂律。准平行激波中的离子加速效率表明，可能存在轻度相对论性准平行激波的天体-例如，活动星系核或微类星体的喷流-可能是宇宙射线及其次级辐射（如伽马射线和中微子）的重要来源。
2018-09-28 astro-ph.HE
Ion acceleration in non-relativistic quasi-parallel shocks using fully kinetic simulations
无碰撞激波阵面的形成是空间等离子体环境中普遍存在的现象。在太阳风中，激波可能伴随着日冕物质抛射，而更猛烈的事件，如超新星，会产生以相对论速度传播的激波锋面。虽然激波形成和粒子加速的基本概念是已知的，但微观物理范围的许多细节仍在讨论中。近年来，混合动力学模拟方法允许非常详细地研究质子和较重离子的动力学和加速。然而，Particle-in-Cell代码允许研究该过程，包括电子动力学和辐射压力。此外，另一种数值方法允许交叉检查结果。因此，我们调查冲击波的形成和粒子加速与一个完全动力学粒子在细胞的代码。除了电子和质子，我们还包括氦和碳离子在我们的模拟准平行冲击。我们能够再现粒子的能谱的特征，例如下游中不同离子种类的温度比，其与粒子质荷比成比例。我们还发现，大约12-15%的未扰动上游的能量转移到逃逸的冲击加速粒子。
2020-03-16 astro-ph.HE physics.comp-ph
Carbon, Helium and Proton Kinetic Temperatures in a Cygnus Loop Shock Wave
对SN 1006的观测表明，在快速超新星遗迹激波后面的等离子体中的离子和电子远离平衡，电子温度远低于质子温度，离子温度与离子质量近似成正比。另一方面，在天鹅座环的~360 km/s冲击波中，电子和离子温度大致相等，并且有证据表明氧动力学温度与质子温度相差不远。在本文中，我们报告的观测He II λ 1640线和C IV λ 1550双峰在360公里/秒的冲击在天鹅座圈。虽然最佳拟合动力学温度略高于质子温度，但He和C的温度与质子温度一致，上限为质量比例温度的0.5和0.3倍，这意味着在这种无碰撞冲击中有效的热平衡。氦和氢的平衡影响了从H α线轮廓确定的质子温度与冲击速度之间的转换，并且这里发现的有效平衡将冲击速度估计值和Medina等人（2014）的天鹅座圈的距离估计值降低到约800 pc。
2015-04-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
