One dimensional analytical solutions of the transport equations for incompressible magnetohydrodynamic (MHD) turbulence
本文推导了不可压缩MHD湍流输运方程的一维解析解，涵盖Elsässer能量和相关长度，适用于近能量均分条件，可用于研究空间及天体物理环境中的湍流演化与能量粒子扩散。
2025-07-03 astro-ph.HE astro-ph.SR
Cross-field transport and pitch-angle anisotropy of solar energetic particles in MHD turbulence
最近对太阳高能粒子在日光层湍流中传播的模拟也在本讲习班上讨论，研究了俯仰角散射和垂直输运在日光经度上粒子传播中的作用，如多航天器测量（STEREO A/B、ACE、SOHO等）所示。在不同的能量范围内都是1 AU。在某些情况下，颗粒分布的一阶俯仰角各向异性是不可忽略的。本文计算了两种MHD湍流模型（a）3-D各向同性模型和（b）Goldreich-Sridhar提出的各向异性模型，在考虑俯仰角依赖性的非均匀湍流中由于梯度/曲率漂移引起的平均垂直位移。我们发现，在这两种情况下，漂移规模为$(1-μ^2)^2$与余弦的俯仰角$μ$，与以前的模型运输的SEP。这一结果可能会影响SEP通过日光层传播的模型。
2015-12-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Diffusion of cosmic rays in MHD turbulence with magnetic mirrors
宇宙射线（CR）的扩散是由其与磁流体动力学（MHD）湍流的相互作用决定的，是一个具有许多天体物理意义的基本物理过程。我们考虑了磁流体湍流对CRs扩散的磁镜效应。由于湍流磁场的固有超扩散，具有经历镜面反射的大螺距角的CR，即，弹跳的CR没有被捕获在磁镜之间，而是沿着湍流磁场扩散地移动，导致新型的平行扩散，即，镜面扩散这种镜面扩散通常比经历回转共振散射的具有小俯仰角的非弹跳CR的扩散慢。在磁镜像和俯仰角散射之间的平衡的临界俯仰角是重要的，用于确定弹跳和非弹跳CR的扩散系数和它们的缩放与CR能量。我们发现非普遍的能量标度的扩散系数，依赖于MHD湍流的属性。
2021-10-08 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Resonance-broadened transit time damping of particles in MHD turbulence
湍流磁场对粒子的散射是一个基本的天体物理过程，其物理基础是磁流体动力学（MHD）湍流理论。在现代MHD湍流理论的框架下，考虑了MHD湍流中产生的磁场涨落和湍流磁场的非线性去相关，导出了广义展宽共振函数，并给出了不同展宽机制占主导地位的粒子能量范围。加宽的共振允许粒子散射超过线性共振的能量阈值。通过分析确定的俯仰角扩散系数的渡越时间阻尼（TTD）与慢，快模式，我们表明，慢模式的湍流各向异性抑制其散射效率。此外，我们量化的依赖慢和快模式之间的相对重要性TTD散射粒子能量，（ii）等离子体$β$（气体压力磁压力的比率），和（iii）阻尼的MHD湍流，我们还提供了参数空间的优势慢模式。为了验证它的应用，我们发现在典型的部分电离星际相位中，在温暖的中性介质中，慢模和快模在宇宙射线的TTD散射中具有相当的效率。对于低能粒子，例如，亚Alfvénic带电颗粒，我们表明，慢模式总是占主导地位的TTD散射。
2018-10-17 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Measurement of MHD turbulence properties by synchrotron radiation techniques
众所周知，磁流体动力学（MHD）湍流在天体物理环境中是普遍存在的。正确理解MHD湍流的基本性质是揭示许多关键天体物理过程的前提。观测测量技术的发展极大地促进了MHD湍流理论及其在天体物理中的应用。在描述了基于理论分析和直接数值模拟的MHD湍流的现代理解之后，我们回顾了与同步辐射涨落技术相关的最新发展。具体而言，我们评论的同步辐射涨落技术的验证和测量性能的磁湍流的几个属性的基础上的数据立方体从MHD湍流模拟和观测。此外，我们建议加强星际湍流的磁化强度和三维磁场结构测量的研究。同时，我们还讨论了利用低频阵列（LOFAR）和平方公里阵列（SKA）的大量数据立方体测量磁场特性和理解天体物理过程的新技术的前景。
2022-03-17 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
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
Collisionless tearing instability in relativistic non-thermal pair plasma and its application to MHD turbulence
本文研究相对论性非热正负电子等离子体中幂律分布下的无碰撞撕裂不稳定性，揭示粒子谱硬化和无力极限对增长率的影响，并将其应用于MHD湍流，推导出不稳定涡旋尺寸及临界磁化参数。
2024-10-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Diagnosis of 3D magnetic field and modes composition in MHD turbulence with Y-parameter
基于MHD湍流理论提出Y参数统计技术，通过不同Stokes参数组合的各向异性比值确定磁场倾角与主导湍流模式，为未来射电偏振巡天研究3D磁场提供新方法。
2023-07-21 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetohydrodynamic turbulence and turbulent dynamo in a partially ionized plasma
天体物理学中的流体是湍流的、磁化的，并且经常是部分电离的。作为天体物理学湍流的一个例子，星际湍流在非常大的空间尺度范围内延伸，并参与发生在不同尺度范围内的关键天体物理过程。本世纪以来，人们对磁流体动力学（MHD）湍流的认识取得了重大进展，这使我们能够更好地描述磁化和部分电离等离子体中的湍流。事实上，MHD湍流物理的现代革命性图景促进了各个理论领域的发展，包括耗散MHD湍流的阻尼过程和产生MHD湍流的发电机过程，这些理论领域具有许多重要的天体物理意义。本文回顾了我们最近的一些重要的理论工作，以证明部分电离气体中MHD湍流和湍流发电机性质之间的相互联系。本文还简要介绍了修正后的基本过程对宇宙早期和现代磁重联、宇宙线散射、磁场放大等突出天体物理问题的影响。
2018-10-18 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Numerical simulations of strong incompressible magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流遍布宇宙，可能在各种天体物理环境中发挥重要作用。磁流体动力学（MHD）提供了最简单的理论框架，在其中可以建立湍流动力学的唯象模型。MHD湍流的数值模拟被广泛用于指导和检验理论预测，然而，模拟MHD湍流和精确测量其标度特性是远远不够的。计算能力将计算限制在中等雷诺数，并且经常进行简化假设，以便可以访问更大范围的尺度。在描述了研究强不可压缩MHD湍流的理论预测和数值方法之后，我们提出了一系列高分辨率直接数值模拟的结果。我们讨论的影响，在计算方法的不一致性可以有解决方案和它的物理解释。
2012-02-15 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Diffusion of large-scale magnetic fields by reconnection in MHD turbulence
磁场扩散速率在几个天体物理等离子体过程中起着至关重要的作用。已经证明，天体物理介质中无所不在的湍流诱导快速磁场重联，从而导致大规模的磁通量扩散的速率独立于等离子体微物理。这个过程被称为"重连扩散“（RD），它允许动态重要的场的扩散。目前描述RD的理论是基于不可压缩磁流体动力学（MHD）湍流。在这项工作中，我们已经测试了定量预测的RD理论时，磁力占主导地位的湍流动力学（Alfvénic马赫数$M_A < 1$）。我们采用\textsc{Pencil Code}对受迫MHD湍流进行了数值模拟，并采用Test-Field方法提取了扩散系数$η_{RD}$的值。当湍流接近不可压缩极限（音速马赫数$M_S \lesssim 0.02$）时，我们的结果与RD理论（$M_A < 1$的$η_{RD} \sim M_A^{3}$）一致，而对于较大的$M_S$，扩散更快（$η_{RD} \sim M_A^{2}$）。这项工作首次显示了可压缩MHD湍流的模拟与抑制的级联在平行于平均磁场的方向，这是一致的不可压缩弱湍流理论。我们还验证了在我们的模拟中，能量级联时间不遵循PDMATHAMT预测的弱制度的标度，与RD理论假设相矛盾。我们的研究结果普遍支持和扩展RD理论的预测。
2021-02-15 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Damping of Alfvén waves in MHD turbulence and implications for cosmic ray streaming instability and galactic winds
MHD湍流的Alfvénic分量阻尼Alfvénic波。这种效应的后果对许多过程都很重要，从宇宙射线（CR）传播到星系和其他磁化系统中的发射流出和风。我们讨论了湍流对流动不稳定性的阻尼和对平面平行波的阻尼的差异。前者发生在与CR流所沿的局部磁场方向对准的参考系中。后者是在平均磁场的参考系中，并且传统上在等离子体研究中被考虑。我们还比较了流不稳定性的湍流阻尼与离子中性碰撞阻尼，这成为在一个足够低的电离分数占主导地位的阻尼效应。数值试验和天体物理的影响进行了讨论。
2022-01-13 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cosmic Ray transport in MHD turbulence: large and small scale interactions
宇宙线的输运和加速是许多天体物理问题的基础，CMB前景，分子云电离和所有高能现象。磁流体湍流的最新进展要求对宇宙线输运的范式进行修正。我们采用的是在数值模拟中经过检验的磁流体动力学湍流模型，其中湍流在大尺度下注入，在小尺度下级联。我们将解决的运输CR的问题，平行和垂直的磁场，并表明宇宙射线的次扩散的问题是唯一重要的限制情况下，当周围的湍流是远离建议的数值模拟。此外，在小于湍流注入规模的尺度上，CR的传输变得超扩散。我们还将讨论由大尺度可压缩湍流引起的宇宙射线动力学回旋共振不稳定性的非线性增长。这种宇宙射线对湍流的回旋共振被证明是除了与可压缩湍流直接相互作用之外的一种重要的散射机制。不稳定性对大尺度湍流的反馈作用不容忽视，应在今后的模拟中考虑。
2011-12-05 astro-ph.HE
Cascade Processes of Strong and Weak MHD Turbulence
本研究通过高分辨率模拟揭示强弱湍流在相对论性MHD湍流中的级联特性，并发现其在中子星磁层中的应用意义。
2026-01-13 astro-ph.HE
MHD Turbulence: A Biased Review
这篇评论将过去几年的发展放在规范时间线的背景下（Kolmogorov到Iroshnikov-Kraichnan到Goldreich-Sridhar到Boldyrev）。有人认为，Beresnyak的反对，Boldyrev的对齐理论违反了RMHD重标度对称性可以调和对齐，如果后者被理解为一个不稳定性效应。因此，在这种解释中恢复的博尔迪列夫的标度是湍流系统中不稳定性的物理理论的一个例子。排列结构的出现带来了重联物理学，因此MHD湍流理论与撕裂和电流片破裂的物理学交织在一起。回顾了Loureiro、Mallet等人最近在这方面的工作，认为我们终于对MHD级联的耗散尺度有了一个相当完整的了解。这幅图似乎与Beresnyak的耗散截止的Kolmogorov标度与Boldyrev的对准叶栅相一致。这些想法也使一些进展，在了解饱和磁流体发电机，认为是由重联控制，并包含，在小尺度上，撕裂介导的级联类似于其强平均场对应。在这个核心叙述的边缘，标准的弱MHD湍流理论被认为需要调整-并提出了一个计划-考虑到自发涌现的二维凝聚在调解阿尔芬波级联中发挥的作用。这就完成了大尺度下的MHD级联的图像。一些悬而未决的问题进行了调查，关于不平衡的MHD湍流（提出了一个新的理论），剩余能量，亚粘性和衰减制度的MHD湍流（重联再次突出功能）。最后，有人认为，自然的研究方向是现在远离MHD和动力学领域。
2022-07-19 astro-ph.GA astro-ph.HE nlin.CD
Enhanced MHD transport in astrophysical accretion flows: turbulence, winds and jets
天体物理吸积可以说是宇宙中最普遍的物理过程;它发生在单个恒星的诞生和死亡期间，并在整个星系的演化中起着关键作用。特别是在黑洞上的吸积，也是自然界中已知的最有效的机制，将高达40%的吸积静止质量能量转化为壮观的形式，如高能（X射线和伽马射线）发射和相对论喷流。虽然磁场被认为是最终负责这些现象，我们的微观物理的吸积流以及大规模的MHD外流的MHD湍流的理解仍然远远没有完成。我们提出了一个新的理论模型的天体物理磁盘吸积，认为增强垂直传输的动量和能量的MHD风和喷流，以及运输造成的MHD湍流。我们还描述了新的全球性的，三维模拟，我们目前正在开发的非理想的MHD效应可以解释如何小规模的，湍流场（产生的磁旋转不稳定性- MRI）可能会演变成大规模的，有序的领域，产生磁化电晕和/或射流的最高能量的现象必然起源的程度。
2009-12-09 astro-ph.HE
High energy emission from galaxy clusters and particle acceleration due to MHD turbulence
在今后几年里，费米伽马射线望远镜和切伦科夫望远镜将对星系团伽马射线发射模型施加非常严格的限制，提供关于星系间介质中相对论粒子的关键信息。在相对论粒子（质子和质子-质子碰撞产生的次级电子）与星系团合并过程中产生的MHD湍流相互作用的一般计算的背景下，我们得到了星系团的宽带非热谱，并讨论了未来γ射线观测的重要性。
2009-01-11 astro-ph.HE
Polarimetric studies of magnetic turbulence with interferometer
研究了磁流体动力学湍流介质中同步辐射偏振的统计特性。我们使用合成和MHD湍流模拟数据进行研究。我们得到了由同步辐射和法拉第旋转涨落引起的同步辐射偏振的空间光谱及其对波长的导数。特别是，我们调查如何频谱随频率的变化。我们发现我们的模拟与Lazarian \& Pogosyan（2016）的理论预测一致。我们的结论是同步辐射偏振光谱及其衍生物可以是非常翔实的工具，以获得详细的信息的统计特性的MHD湍流从射电观测的扩散同步辐射偏振。特别是，它们对于恢复湍流磁场的统计以及湍流电子密度是有用的。我们还模拟干涉观测，将噪声和有限的望远镜光束尺寸的影响，并演示了我们如何恢复统计的基础MHD湍流。
2016-09-14 astro-ph.HE
NANOGrav signal from MHD turbulence at QCD phase transition in the early universe
NANOGrav合作最近报告了在1-100 nHz频率范围内存在随机引力波背景的证据。我们认为，这种背景可能已经产生的磁流体动力学（MHD）湍流在QCD尺度。从NANOGrav测量结果可以推断出磁场参数：在QCD相变时期，同向磁场强度接近微高斯，相关长度接近哈勃半径的10%.我们指出，湍流衰减的非螺旋磁场与这些参数导致一个磁场在重组时代，这将是足够强大的，以提供一个解决方案的哈勃张力问题，最近提出的。我们还表明，NANOGrav信号的MHD湍流解释可以通过测量大尺度结构的空隙中的遗迹磁场进行测试，与伽马射线望远镜，如CTA。
2021-03-16 astro-ph.CO astro-ph.HE
Studying the properties of compressible MHD turbulence by synchrotron fluctuation statistics
基于三维MHD数值模拟的同步辐射观测结果，我们研究了可压缩MHD湍流在不同湍流状态下的可观测特性。利用同步辐射辐射率和强度，我们首先探讨了宇宙线光谱指数如何影响测量湍流性质采用归一化关联函数。然后，我们研究了三种基本MHD模式产生的同步辐射总强度和偏振强度的各向异性如何随视角变化，即，平均磁场和视线之间的角度。我们采用四极矩的比率，以达到这个目的。数值结果表明：（1）任意宇宙线谱指数的同步辐射统计两点关联函数与磁场指数$γ=2$的特殊情况有关，与Lazarian \& Pogosyan（2012）给出的解析公式一致;（2）Alfvén模和慢模产生的同步辐射总强度和偏振强度的各向异性随视角的增大而增大，（3）湍流同步辐射强度的解析公式可以用来描述湍流偏振强度的统计特性，量子力学方法可以成功地恢复湍流的各向异性。这项研究验证了Lazarian \& Pogosyan的分析方法，并开辟了一条从观测中研究湍流的途径。
2022-10-24 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
The Turbulent Magnetic Prandtl Number of MHD Turbulence in Disks
磁性普朗特数Pr_M是粘度与电阻率的比值。在天体物理圆盘中，角动量（粘性）和磁场（电阻率）的扩散受湍流控制。圆盘中大尺度极向磁场演化的唯象模型表明，湍流磁Prandtl数Pr_{M,T}控制着垂直场从圆盘逸出的速率;对于Pr_{M,T} leq R/H垂直场，在通过吸积向内平流之前会向外扩散。在这里，我们测量场扩散和角动量输运由于在剪切盒中的MHD湍流，因此Pr_{M,T}，通过研究的正弦扰动的演变磁场注入到湍流背景。我们证明了扰动总是稳定的，近似指数衰减，衰减率与k^2成正比，并且隐含的Pr_{M,T} ~ 1。
2009-03-22 astro-ph.GA astro-ph.HE
Basic Bell-MHD Turbulence
非共振电流不稳定性被Bell（2004）确定为超新星遗迹中磁场放大的重要机制。在本文中，我们专注于研究这种不稳定性的非线性阶段使用不可压缩MHD制定。我们证明了贝尔不稳定性驱动的磁湍流的演变类似于大尺度上驱动的湍流。更重要的是，我们证明了磁场的含能尺度与磁能密度的平方根成正比。考虑到可能的场放大的观测约束，这种新的关系使我们能够直接估计由这种场散射的粒子的最大能量，并且这种估计通常低于平均粒子能量。这意味着，如果不考虑对宇宙射线的反馈，贝尔场的典型尺度，无论是在线性还是非线性状态下，都将太小而不影响高能粒子的加速。我们提到了几种对宇宙射线的反反应可能很重要的情况。
2014-06-04 astro-ph.GA astro-ph.HE
Gravitational waves from MHD turbulence at the QCD phase transition as a source for Pulsar Timing Arrays
我们建议，最近的观测报告的不同脉冲星定时阵列（PTA）的合作（即~ IPTA、EPTA、PPTA和NANOGrav）可以对应于由早期宇宙中的湍流源产生的随机引力波背景（SGWB），特别是由于原始磁场引起的磁流体动力学（MHD）湍流。我讨论了最近的MHD湍流的数值模拟结果，并提出了一个分析模板的SGWB验证的模拟。我们使用这个模板来约束磁场参数使用PTA协作报告的结果。最后，我们比较了从PTA获得的原始磁场与费米大面积望远镜（LAT）观测到的blazar信号，从超高能宇宙射线，从宇宙微波背景的约束。我们表明，在量子色动力学相变的尺度上产生的非螺旋原始磁场与这样的约束是兼容的，它可以另外提供一个磁场在重组，这将有助于减轻哈勃张力。
2022-05-19 astro-ph.HE gr-qc
