Collisionless shock in a relativistically hot unmagnetized electron-positron plasma
本文研究相对论性热未磁化电子-正电子等离子体中的无碰撞激波，发现其耗散足以解释伽马射线暴，并基于下游磁场慢衰减特性提出大范围磁场产生模型。
2024-10-18 astro-ph.HE
Collisionless Shock Driven by a Supersonic Velocity Shear
The University of Tokyo（东京大学）
研究通过粒子模拟发现，无磁化正负电子对等离子体中，Alves不稳定性驱动超音速速度剪切形成无碰撞激波，该激波可加速高能粒子并产生剪切加速所需的磁场湍流，为剪切加速注入问题提供了可能的解决方案。
2026-10-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The elusive synchrotron precursor of collisionless shocks
大部分的等离子体微物理学，塑造粒子在无碰撞冲击波的加速过程发生在宇宙射线的先驱，通过加速粒子与未冲击等离子体的相互作用。直接或间接地探测到这种前体中加速粒子的同步辐射，将为加速和无碰撞冲击波的微观物理学打开一扇新的窗户。我们提供了分析估计的光谱和偏振分数的同步前体的相对论和非相对论无碰撞冲击波阵面，占自我生成或放大的磁湍流。在相对论源中，前体的光谱比冲击等离子体的光谱更硬，因为上游停留时间随着粒子能量增加而增加，导致前体体积中加速粒子的有效硬光谱。在高频率下，通常在光学到X射线的范围内，前体的贡献变得相当大，但我们发现，在大多数研究情况下，它仍然主要由同步加速器或逆康普顿贡献的冲击等离子体;其贡献可能是检测到的，只有在trans-relativistic冲击波。非相对论源通过观察冲击波前沿提供了对前兆进行光谱成像的可能性。我们计算了各种参数的光谱形态贡献。同步加速器的贡献在最高频率（X射线范围）也相当大。如果湍流在激波阵面的横向平面上纠缠在一起，那么所产生的同步辐射应该是接近最大线性偏振的;偏振测量因此成为揭示这种前兆的一种有趣的工具。[摘要]
2017-02-16 astro-ph.HE
Physics of relativistic collisionless shocks: The scattering center frame
在这一系列的第一篇论文致力于非磁化，相对论性无碰撞对冲击的微观物理，我们讨论的韦伯型横向电流偏转不稳定性（CFI）的物理发展的冲击前兆，通过一个超相对论性超热粒子束与背景等离子体的相互作用。我们特别介绍的概念“韦伯框架”，或散射中心框架，其中的微湍流主要是磁性的性质。我们计算这个框架的属性，首先使用动力学制剂的线性阶段的不稳定性，依赖于麦克斯韦-Jüttner分布函数，然后使用准静态模型的非线性阶段的不稳定性。这两种方法都表明：（i）韦伯坐标系相对于背景等离子体以亚相对论速度运动，因此相对于激波阵面以相对论速度运动;（ii）韦伯坐标系相对于背景等离子体的速度与$ξ_{\rm b}$成比例，即，的压力的超热粒子束的动量通量密度进入冲击的单位;及（iii），韦伯帧移动略低于背景等离子体相对于冲击波前。我们的理论结果被发现是在专用的大规模2D 3V PIC模拟进行的测量满意的协议。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Long wavelength unstable modes in the far upstream of relativistic collisionless shocks
在超相对论极限下，计算了相对论粒子束与非磁化冷等离子体相互作用引起的长波动力学不稳定性的增长率。对于充分达到顶点的光束，所有的长波长模式被证明是韦伯不稳定的，并推导出一个简单的解析表达式，其增长率。对于大的横向速度扩散，这些模式变得稳定。给出了稳定性的解析条件。这些分析结果，概括了以前的文献中给出的，被证明是一致的色散方程的数值解和新的PIC模拟的结果，其中的电-磁场被限制到一个给定的k-模式。结果可以描述高能宇宙射线的相互作用，传播到相对论性无碰撞激波的远上游，与冷的非磁化上游。考虑的长波长模式可能是有效的偏转粒子和扩散冲击加速可能是重要的。结果表明，当相对论激波传播到电子-正电子对等离子体中时，这些模增长，而当相对论激波传播到洛伦兹因子为\lesssim 100的电子-质子等离子体中时，这些模被阻尼.如果这些模式占主导地位的偏转高能宇宙射线在电子-正电子冲击，有人认为，粒子加速被抑制在冲击帧能量大于下游热能的一个因素大于冲击洛伦兹因子。
2010-05-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cocoon formation by a mildly relativistic pair jet in unmagnetized collisionless electron-proton plasma
通过模拟温度为400 keV的电子和正电子云的膨胀，以平均速度0.9 c（$c:$光速）通过最初未磁化的电子-质子等离子体与粒子在细胞（PIC）模拟，我们发现了一种机制，准直成喷流对云。在静止的质子和运动的正电子之间会产生一种平行不稳定性。它的磁场校准正电子，并将静电冲击驱动到电子质子等离子体中。磁场的作用就像一个不连续点，它将被冲击的周围等离子体中的质子（被称为外茧）与喷流的内部区域分开。外茧沿射流轴线以0.15c的速度膨胀，垂直于射流轴线以0.03c的速度膨胀，射流的定向流动能量在内茧中转化为磁能。磁不连续性不能将周围的电子与喷流电子分开。这两个物种迅速混合，变得难以区分。的正电荷载流子的空间分布是在协议的环境材料和射流材料的分布预测的流体动力学模型，除了稀释的正电子流出，是由在射流的头部的电磁场加速。
2018-11-09 astro-ph.HE
Scaling the Yield of Laser-Driven Electron-Positron Jets to Laboratory Astrophysical Applications
我们报告了在三个不同的激光装置上获得的新的实验结果，这些结果显示了定向激光驱动的相对论性电子-正电子喷流，其产额比以前获得的大30倍，正电子产额对激光能量的二次（~ E^2）依赖性。这种有利的缩放源于更高能量的电子的组合，由于增加的激光强度和MeV电子在mm厚的目标中的再循环。基于这种比例，第一性原理模拟预测了使用即将到来的高能激光设施产生的这种电子-正电子喷流在实验室中探测相对论无碰撞冲击物理的可能性。
2015-04-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Slow down of a globally neutral relativistic $e^-e^+$ beam shearing the vacuum
研究了全局中性相对论性$e^-e^+$光束通过中空等离子体/介质通道的相对论性无碰撞剪切流的微观物理。我们表明，通过多维PIC模拟，这种情况下激发蘑菇不稳定性（MI），电子尺度上的横向剪切不稳定性，当有没有重叠（无接触）之间的$e^-e^+$光束和中空等离子体通道的壁。MI的开始导致束的动能转换成磁场（和电场）能量，有效地减慢了在没有接触的情况下的全局中性体。在这种配置中探索的无碰撞剪切物理学可以在天体物理环境中运行，特别是在宏观剪切过程稳定的高度相对论和超音速环境中。
2015-06-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Spontaneous magnetization of collisionless plasma through the action of a shear flow
我们研究了在一个完全动力学的框架下，通过在初始未磁化的等离子体中由大尺度剪切力驱动的韦伯不稳定性产生种子磁场。我们开发了一个分析模型，描述了通过相位混合，随后的指数增长的磁场的线性韦伯阶段，其饱和时，种子磁场变得足够强，煽动粒子的回转运动，从而抑制他们的自由流动的热压各向异性的发展。饱和种子字段对关键参数（例如，系统尺度与电子趋肤深度的比率，强迫幅度）通过使用电子-正电子等离子体的3D和2D粒子模拟来确认。这项工作证明了自发磁化的无碰撞等离子体通过大尺度运动一样简单的剪切流，因此具有重要的意义，在稀天体物理系统的磁成因。
2021-10-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics and phenomenology of weakly magnetized, relativistic astrophysical shock waves
弱磁化的相对论性无碰撞激波不仅是高能天体物理源中相对论性喷流的自然产物，而且还与通过粒子加速和辐射的能量耗散的一些最突出的表现有关。也许它们最奇特和最令人兴奋的特征是，维持加速过程的磁化湍流，以及（可能）次级辐射本身，是由被加速的粒子本身自激发的，因此这些冲击波的现象学在很大程度上取决于冲击波的微观物理。在这篇评论中，我们绘制了一个状态报告，这种微观物理，基准分析参数与粒子在细胞模拟，并提取直接感兴趣的现象学的后果，特别是关于所谓的微观物理参数中使用的现象学研究。
2020-12-16 astro-ph.HE
Structure of a collisionless pair jet in a magnetized electron-proton plasma: flow-aligned magnetic field
我们研究了引导磁场对通过静止的无碰撞电子-质子等离子体传播的成对喷流的形成和结构的影响。我们用PIC模拟了一对温度为400 keV，平均速度为0.9c的云。云传播通过一个空间均匀，磁化和冷却环境的电子-质子等离子体是在休息。其平均速度矢量与背景磁场一致。一股喷射流及时形成。它的外茧由射流加速的环境等离子体组成，并通过电磁活塞与内茧分离，电磁活塞的厚度与射流粒子的热回旋半径相当。一个超临界快速磁声冲击将形成之间的原始环境等离子体和射流加速的时间尺度上，超过我们的模拟时间的一个数量级。内茧是成对的等离子体，当它扫过背景磁场时失去了其定向流能量。一束电子和正电子以其初始速度沿喷流脊运动。它的电子被减速，一些正电子在穿过喷流头部时被加速。后者沿着磁场向上游逃逸，在喷流之前产生过量的MeV正电子。在电磁活塞形成时，位于其后面的一些质子被加速到MeV的能量
2018-12-13 astro-ph.HE
Modified jump conditions for parallel collisionless shocks
在磁流体动力学（MHD）的背景下，平行激波的特性不依赖于场强，因为对于这样的几何形状，场和流体是断开的。然而，在无碰撞的情况下，该领域可以维持稳定的各向异性在下游，触发偏离预期的MHD行为。在最近的工作[A。Bret和R. Narayan，J. Plasma Phys. \textbf{84}，905840604（2018）]，提出了一个理论模型，允许导出电子/正电子等离子体中非相对论性平行无碰撞激波的密度比，作为场的函数。在这里，我们得到的熵，压力和温度的跳跃源于这个模型。它被发现提供了一个3D和1D之间的过渡下游的跳跃密度，熵，平行的温度和平行的压力。
2021-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The extent of power-law energy spectra in collisionless relativistic magnetic reconnection in pair plasmas
使用二维粒子模拟，我们表征了相对论磁重联（无引导场）加速的粒子在无碰撞的电子-正电子等离子体中的能谱，上游磁化$σ$和系统尺寸$L$的范围很广。粒子谱由幂律$γ^{-α}$很好地表示，具有指数和超指数高能截止的组合，分别与$σ$和$L$成比例。对于大的$L$和$σ$，幂律指数$α$接近约1.2。
2015-12-22 astro-ph.HE
Fermi acceleration in relativistic collisionless plasma shocks correlates with anisotropic energy gains
本研究通过PIC模拟研究相对论正负电子等离子体对撞产生的无碰撞激波，发现WI介导的激波使粒子按洛伦兹因子分叉，快慢粒子的能量增益受电场不同分量的影响存在各向异性差异。
2021-07-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Impact of continuous particle injection on generation and decay of the magnetic field in collisionless shocks
本文对连续注入新电子对的无碰撞正负电子等离子体中的磁场湍流进行了数值模拟，该等离子体在很长一段时间内保持粒子分布的各向异性。{With在这些模拟中，我们遵循流体共动框架模型中的小（且因此均匀）区域的演化，在冲击中磁场的产生和衰减，其中上游由于冲击的高能辐射的自吸收而被双光子对产生修改。我们发现，磁场建立的整体画面是一致的发展的韦伯不稳定性。然而，各向异性对在上游的长期注入导致形成大尺度结构的磁场，而小尺度结构几乎没有。我们发现，被放大的冲击波阵面，这个磁场主要保持其大的空间尺度，然后慢慢地衰减在下游的时间尺度约等于持续时间的注射阶段。观测到的磁场衰减与所谓的相混合模型的预测非常吻合。相对论无碰撞激波中长寿命磁场的产生与注入修改上游解释了它们如何能够有效地产生伽马射线暴中的同步辐射。
2016-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel-Mediated Shocks Propagating into Inhomogeneous Electron-Positron Plasmas
发射伽马射线暴（GRB）余辉的外部前向激波是无碰撞的，并且它是由产生磁场的韦伯不稳定性介导的。伽玛暴余辉表明，大下游区的磁场比激波压缩的震前磁场强得多。然而，相对论冲击波传播到均匀介质中的粒子模拟（PIC）表明，韦伯产生的场在冲击波阵面附近衰减。一些伽玛暴观测和理论研究表明震前介质是不均匀的。本文对相对论激波在非均匀等离子体中的传播进行了PIC模拟。结果表明，冲击后磁场衰减比均匀情况慢。激波相互作用也产生了声波和熵波，下游区域的声波产生了温度各向异性。温度各向异性的自由能大到足以解释观测到的场强。我们的结果表明，上游密度波动有一个显着的影响，在下游区域的无碰撞冲击，即使上游不均匀性的波长是远远大于动力学尺度。
2019-07-21 astro-ph.HE
Long-term Evolution of Relativistic Unmagnetized Collisionless Shocks
本研究通过大时长二维粒子网格模拟，揭示相对论无磁化无碰撞正负电子激波的长期演化规律，发现磁相干尺度持续增长、磁场呈斑块分布，为伽马射线暴余辉模型提供关键参考。
2024-02-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Microphysics of diffusive shock acceleration: impact on the spectrum of accelerated particles
研究非共振流不稳定性对湍流冲击加速谱变形的影响，探讨冲击速度和注入动量对谱变陡的依赖性。
2025-12-12 astro-ph.HE
Electrostatic solitary waves in an electron-positron pair plasma with suprathermal electrons
研究了由绝热冷电子、移动冷正电子（或电子空穴）、热超热电子（由$κ$分布描述）和静止离子组成的无碰撞正负电子对等离子体中静电孤波的非线性传播.导出的静电波的线性色散关系表明，在适当的参数范围内，正电子的物理条件对相速度的依赖性很弱。Sagdeev的赝势方法被用来获得静电孤波结构的存在，重点是它们的特性如何依赖于正电子和超热电子的物理条件。发现在不同的马赫数范围内都存在正、负极性静电孤波。由于正电子只占总数密度的一小部分，它们对存在域的影响很小。然而，在固定的孤子速度下，正电子可以显著地改变波势。结果表明，在真实马赫数一定的情况下，增大电子超热性（降低$κ$），可以大大提高正电势。研究发现，在成对等离子体中，当存在超热电子时，一部分正电子维持正极性静电孤波的产生。
2017-10-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic Simulations of Strongly-Magnetized Parallel Shocks: Deviations from MHD Jump Conditions
激波是天体物理等离子体系统中普遍存在的一种现象，也是能量耗散和传递的重要过程。这些冲击波的物理经常被视为/模拟为碰撞，流体MHD不连续性，尽管事实上，许多冲击发生在无碰撞制度。有鉴于此，使用完全动力学，非相对论，平行传播的电子-正电子等离子体组成的无碰撞冲击的三维模拟，我们详细的偏差无碰撞冲击形式MHD预测不同的磁化/Alfvénic马赫数，特别关注系统的Alfénic马赫数远小于声波马赫数。我们表明，冲击压缩比降低足够大的上游磁场，与Bret & Narayan（2018）的预测一致。此外，我们还研究了磁场强度对冲击波阵面宽度的影响。这项工作加强了越来越多的工作，这些工作表明，仅用流体等离子体描述来建模许多天体物理系统忽略了潜在的重要物理。
2021-10-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Kinetic Simulations of Particle Acceleration in Relativistic Perpendicular Electron-positron Shocks with Proton Admixture
本研究通过二维PIC模拟发现，含5%质子掺杂的相对论垂直电子-正电子激波中，质子驱动电磁波的偏振特性使正电子加速到质子能级并形成硬非热谱，而电子能量较低，揭示了等离子体成分对天体物理激波粒子加速的关键作用。
2025-10-01 astro-ph.HE
Collisionless shocks having relativistic velocities in relativistically hot plasmas
本文用二维粒子模拟研究相对论性热电子-正电子等离子体中的无碰撞激波，发现Weibel不稳定性耗散上游流形成激波，且激波结构和粒子加速幂律谱与冷上游情形相似。
2025-07-17 astro-ph.HE
Breaks in interstellar spectra of positrons and electrons derived from time-dependent AMS data
直到最近，人们才普遍接受局部宇宙射线谱在很大程度上是无特征的幂律，包含关于其加速和传输的有限信息。目前，鉴于宇宙线核通量中各种光谱突变的证据，这一观点正在被修订。在这里，我们专注于宇宙射线的电子和正电子，在最高的能量必须是本地的起源，由于强辐射损失。我们考虑一个纯扩散模型的银河系运输和确定其自由参数的拟合数据在很宽的能量范围内：测量星际光谱的旅行者在兆电子伏的能量，无线电同步加速器数据（敏感的GeV电子和正电子）和本地观测AMS高达~ 1 TeV。对于第一次，我们还模拟了宇宙射线电子和正电子在GeV的能量最近提出的AMS，治疗太阳调制在一个简单的扩展广泛使用的力场近似随时间变化的通量。我们能够重现迄今为止所有可用的测量结果。我们的宇宙射线电子和正电子的星际光谱模型需要存在一些光谱突变，无论是在源光谱和扩散系数。虽然我们仍然不知道这些光谱断裂的起源，但它们的存在将为未来宇宙射线加速和传输的微观物理模型提供信息。
2019-04-11 astro-ph.HE
Particle-acceleration mechanisms in multispecies relativistic plasmas
Goethe Universität（歌德大学）；Università della Calabria（卡拉布里亚大学）；Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学）；New Uzbekistan University（新乌兹别克斯坦大学）；Trinity College, Dublin（都柏林三一学院）
研究多物种相对论等离子体中粒子加速机制，通过动能学湍流模型分析电子、正电子和质子的加速过程，揭示正电子分数对高能辐射的影响。
2026-04-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Maximum Energy of Accelerated Particles in Relativistic Collisionless Shocks
伽马射线暴（GRB）的余辉辐射通常被解释为电子在GRB外激波处加速产生的同步辐射，以相对论速度传播到磁化的星际介质中。通过多维粒子模拟，我们研究了弱磁化相对论激波在磁化强度0<sigma<1 e-1范围内的加速性能。预冲击磁场是正交的流动，一般预期的相对论冲击。我们发现，当磁化强度σ <1 e-3时，在正负电子等离子体中传播的相对论垂直激波是有效的粒子加速器。对于电子-离子等离子体，对于σ <3e-5，发生向有效加速的转变。在这里，两种物质的加速过程类似，因为电子进入冲击几乎与离子均分，作为在自生上游湍流中的强预热的结果。在电子-正电子和电子-离子冲击中，我们发现被加速粒子的最大能量随时间的变化是t^（1/2）。这种标度比所谓的（和通常假定的）玻姆极限要浅，它自然是由激波层中产生的韦伯湍流的小尺度性质引起的。在磁化的等离子体中，加速粒子的能量增加，直到达到饱和值，该饱和值与磁化强度成比例，为σ ^（-1/4）。由于自生湍流被限制在激波周围一个厚度与σ ^（-1/2）成正比的有限区域内，因此防止了进一步的湍流。我们的研究结果可以提供物理接地输入模型的非热辐射从各种天体物理来源，特别是相关的伽玛暴余辉。
2013-01-22 astro-ph.HE
PIC simulation study of the interaction between a relativistically moving leptonic micro-cloud and ambient electrons
致密吸积物体的喷流由电子和正电子与离子的混合物组成。这些外流撞击星际或星系间介质，两个等离子体通过无碰撞过程相互作用。成丝（束-韦伯）不稳定性引起强电磁场的增长。这些场使相互渗透的等离子体热化。迄今为止，空间非均匀性对双折射不稳定性的影响尚未得到研究。我们研究了空间均匀的背景电子和电子和正电子的微小云之间的相互作用。在我们的粒子模拟（PIC）中，一个由同样密度的电子和正电子组成的正方形微云撞击在静止的空间均匀等离子体上。微云的平均速度对应于相对论因子15，这与实验室实验和相对论天体物理外流有关。轻子的空间分布和电磁场的空间分布被检查了几次。在微云携带的磁场和背景电子之间产生了一种磁致伸缩不稳定性。由噪音水平产生的电磁场重新分配了云内的电子和正电子，从而提高了磁场的峰值振幅。电流密度和电磁场的模量随时间非周期性地增长，并且沿着与云的速度矢量反平行的方向稳定地增长。微云在模拟过程中保持连接。这种不稳定性在背景等离子体中引起静电尾场。
2015-04-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Structure of a collisionless pair jet in a magnetized electron-proton plasma: Flow-aligned magnetic field
我们提出的结果，从一个粒子在细胞（PIC）模拟模型之间的相互作用的空间定位的电子-正电子云和电子-离子等离子体。后者是由一个磁场，最初是空间均匀的，并与对云的平均速度矢量对齐渗透。电子对云排出磁场，并将其堆积成一个电磁活塞。它的电磁场足够强，可以在垂直于云传播方向的方向上将对云与环境等离子体分离。活塞从注入的电子对云的脊向外传播，并将质子加速到一个高的非相对论速度。加速的质子形成一个外层茧，最终将通过快速磁声冲击与未受扰动的周围等离子体分离。在云的前部没有形成电磁活塞，激波在这里由平行不稳定性介导。最终的等离子体分布类似于流体动力学射流。在吸积黑洞的日冕等离子体中可能会形成无碰撞等离子体喷流，而活塞的强磁场与热对云之间的相互作用可能有助于这些物体的无线电发射。
2020-01-26 astro-ph.HE
First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching
黑洞驱动强大的等离子体射流达到相对论速度。这种等离子体应该是无碰撞的，并且通过视界附近的电子对产生而自洽地供应。我们提出了广义相对论无碰撞等离子体模拟的克尔黑洞磁层，从真空开始，注入电子-正电子对的基础上，当地的非屏蔽电场，并达到稳定状态与电磁供电的Blandford-Znajek喷流和持续电流片。在无穷远处具有负能量的粒子是一个普遍的特征，在彭罗斯过程的一个变体中，它可以对黑洞旋转能量的提取做出重要贡献。所产生的等离子体分布取决于对创建环境，我们描述了两个不同的实现力的电动力学解决方案。这种敏感性表明，等离子体动力学将是有用的，在解释未来的地平线分辨亚毫米波和红外观测。
2018-10-10 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Current-driven filamentation upstream of magnetized relativistic collisionless shocks
相对论性无碰撞激波的不稳定性物理在高能天体物理学中具有广泛的重要性，因为这些不稳定性建立了激波，控制了粒子加速过程，并产生了加速粒子辐射的磁场。两个关键参数控制着这些冲击的微观物理：环境介质的磁化和冲击波阵面的洛伦兹因子;到目前为止，这些参数空间的大部分仍有待探索。在本文中，我们报告了一种新的不稳定性上游的电子-正电子相对论冲击，我们认为，这种不稳定性形状的微观物理在中等磁化水平和/或大洛伦兹因子。这种不稳定性是由激波前兆中的加速粒子在背景磁场周围旋转时携带的电流引起的。在背景等离子体中感应的补偿电流导致不稳定的配置，带有电荷中性丝的外观携带相同极性的电流，沿着垂直电流取向。这种“电流驱动的细丝”不稳定性的增长速度比迄今为止研究的相对论冲击上游的任何其他不稳定性都要快，其增长率与等离子体频率相当。此外，电流的补偿与环境等离子体在其穿透冲击前兆时的减速相关联（如在冲击静止帧中所观察到的）。等离子体的这种减速意味着，只要磁化强度σ<~ 10^{-2}，"电流驱动的丝状体“不稳定性可以随着冲击洛伦兹因子的任何值而增长。我们认为，这种不稳定性解释了最近的粒子在细胞模拟的结果在轻度磁化制度。
2014-01-28 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Generating ultra-dense pair beams using 400 GeV/c protons
一个以前未探索的实验方案，用于产生低发散，超密度，相对论，电子-正电子束使用400 GeV/c的质子可在设施，如HiRadMat和AWAKE在欧洲核子研究中心。初步的Monte-Carlo和Particle-in-cell模拟表明，产生包含足够高密度的$10^{13}-10^{14}$电子-正电子对的光束的可能性，以驱动无碰撞的光束-等离子体不稳定性，这有望在磁场产生和相对论天体物理现象的相关辐射特征中发挥重要作用。这对光束是准中性的，在所有维度上的尺寸都超过了几个趋肤深度，这是第一次允许检查横向和纵向不稳定模式之间的竞争对磁场增长的影响。此外，所提出的计划允许的可能性，控制相对密度的强子电子-正电子对的光束，使之有可能探索不同的天体物理环境的参数空间。
2020-11-09 astro-ph.HE hep-ph physics.plasm-ph
Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams
本研究利用CERN SPS的440 GeV/c束流在实验室产生高密度、准中性相对论电子-正电子对束，为研究可维持集体振荡的对等离子体微观物理提供了新实验手段。
2023-12-08 astro-ph.HE hep-ex physics.plasm-ph
Weibel Instability in Collisionless Plasmas Across Astrophysical and Laboratory Shocks
Sikkim University（锡金大学）；Netaji Subhas University of Technology（内塔吉·苏巴斯技术大学）
本文通过冷流体分析研究了Weibel不稳定性在四种不同情形下的表现，得出了最大增长率和特征不稳定性波数的标度关系，并验证了实验数据与理论预测的一致性。
2026-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Intermittency in Collisionless Large-Amplitude Turbulence
本文通过全动理学三维模拟研究电子-正电子等离子体中无碰撞大振幅湍流的间歇性，揭示压强各向异性使磁场-曲率标度变陡并改变曲率分布幂律，同时触发镜像和火蛇不稳定性，对宇宙线输运与加速有重要意义。
2025-11-06 astro-ph.HE
Collisionless Rayleigh-Taylor-like instability of the boundary between a hot pair plasma and an electron-proton plasma: the undular mode
我们研究了一个二维的粒子在细胞模拟的不连续性或活塞，从一个较冷的电子-质子等离子体分离的电子-正电子云的稳定性。这种活塞可能存在于吸积黑洞的相对论喷流中，将喷流物质与周围的等离子体分离，以及在X射线耀斑期间形成成对云并扩展到吸积盘日冕的等离子体中。我们在模拟边界注入一对等离子体，具有温和的相对论温度和平均速度。它流过一个空间均匀的电子-质子等离子体，该等离子体被背景磁场所渗透。磁场与一个模拟方向对齐，并与成对云的平均速度矢量正交。膨胀的电子对云将磁场排斥出去，并将其堆积在其前方。它被放大到足以捕获周围电子的值。被捕获的电子的电流，被膨胀的云锋携带，驱动一个电场，加速质子。孤立波在饱和后增长并转变为活塞。我们的模拟结果表明，这种活塞经历了碰撞的不稳定性类似的瑞利-泰勒不稳定性。波动模式的增长，我们观察到的手指的质子密度分布。不稳定性的影响是使活塞变形，但不能破坏它。
2020-10-10 astro-ph.HE
Influence of neutrino-electron scattering and neutrino-pair annihilation on hypermassive neutron star
Center for Nonlinear Studies, Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室非线性研究中心）；Department of Physics & Astronomy, University of New Hampshire（新罕布什尔大学物理与天文学系）；Department of Physics, University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校物理系）；Institut für Theoretische Physik, Goethe Universität（歌德大学理论物理研究所）；Department of Physics and Astronomy, KU Leuven（荷语鲁汶大学物理与天文学系）；Department of Physics & Astronomy, Washington State University（华盛顿州立大学物理与天文学系）
研究中微子不弹性相互作用对超大质量中子星磁流体力学模拟的影响，发现中微子-电子散射增加盘质量和喷流物质，但电子-正电子湮灭无显著影响。
2025-01-30 astro-ph.HE
Weibel instability and associated strong fields in a fully 3D simulation of a relativistic shock
等离子体不稳定性（例如，Buneman，Weibel和其他双流不稳定性）在无碰撞冲击中激发，是粒子（电子，正电子和离子）加速的原因。利用一种新的三维相对论粒子模拟程序，研究了非磁化相对论正负电子喷流在非磁化正负电子等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。为了研究韦伯不稳定性、粒子加速机制和激波结构的非线性阶段，使用了一个长的模拟系统进行了模拟。冷喷流电子被热化和减慢，而周围的电子被扫起来，以创建一个部分发展的流体动力学（HD）一样的激波结构。在先导冲击中，电子密度在模拟帧中增加了3.5倍。在尾激波中产生强电磁场，并提供发射点。我们讨论了我们的模拟结果在活动星系核和伽玛暴背景下的可能影响。
2009-04-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
The role of three-dimensional effects on ion injection and acceleration in perpendicular shocks
Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Chicago（芝加哥大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）
研究三维效应在非相对论性垂直冲击波中离子加速和磁场放大中的作用，揭示冲击漂移加速与冲击马赫数的关系，强调高分辨率三维模拟对理解粒子加速微观物理的重要性。
2026-04-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Synchrotron signature of a relativistic blast wave with decaying microturbulence
最近的高性能数值模拟证实，弱磁化相对论性无碰撞冲击波的微观物理表明，在冲击波阵面后面存在一个大磁场强度的微观湍流层，它必须衰减超过几百个趋肤深度。本文讨论了这种微湍流的动力学，借用这些相同的数值模拟，并计算了一个幂律的冲击加速粒子的同步加速器签名。衰减的微湍流层被发现留下不同的签名，在频谱的时间演变的频谱$F_ν\propto t^{-α}ν^{-β}$的减速冲击波，这是潜在的伽马射线暴的早期多波长后续观测可见。本文还讨论了不断发展的微湍流的加速过程中的影响，特别强调的同步辐射余辉光子的最大能量，这落在GeV范围内的标准伽马射线暴参数。最后，本文认为，不断发展的微湍流在塑造最近观察到的伽马射线暴与扩展的GeV发射，如GRB 090510的光谱中起着关键作用。
2012-09-27 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Three-dimensional structure and stability of discontinuities between unmagnetized pair plasma and magnetized electron-proton plasma
本文通过三维PIC模拟研究未磁化正负电子对等离子体与磁化电子-质子等离子体间断面，揭示电磁脉冲、丝化及Rayleigh-Taylor型不稳定性共同导致对等离子体减速压缩，从而为相对论性喷流准直提供关键机制。
2023-06-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Open-source library for performance-portable neutrino reaction rates: Application to neutron star mergers
本文发布开源库 BNS_NURATES，用于可移植、实时计算 BNS 并合中的中微子反应率，并通过 M1 模拟条件展示新增反应与微观物理效应对发射率、不透明度及退耦光谱的影响。
2025-03-14 astro-ph.HE nucl-th
On the maximum pair multiplicity of pulsar cascades
我们研究了高能脉冲星极冠中电子-正电子对的产生，以确定在最有利的条件下脉冲星能产生的最大等离子体对多重数。本文补充和更新了我们在Alfrekhin和Harding（2015）中提出的对级联的研究，更准确地处理了超强B> 3x 10 ^{12}G磁场的影响以及初级和次级粒子的发射过程。我们包括由曲率和同步辐射光子以及共振康普顿散射光子产生的对。我们开发了一个半解析模型的电子-正电子级联，可以有效地模拟对级联与任意数量的微物理过程，并使用它来探索级联特性的脉冲星参数范围很广。我们认为，级联多重数的最大值不会超过几个× 10 ^5，并且多重数对脉冲星周期的依赖性很弱。最高的多重数是在磁场为4 × 10 ^{12}<B<10^{13}G和热表面（T> 10 ^6 K）的超导体中实现的。我们还导出了与脉冲星级联有关的几个物理量的解析表达式，包括级联多重数的上限和强磁场中光子衰减表达式中指数因子χ的各种近似。
2018-11-10 astro-ph.HE
Modeling general-relativistic plasmas with collisionless moments and dissipative two-fluid magnetohydrodynamics
Princeton University（普林斯顿大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）；Flatiron Institute, Simons Foundation（西蒙斯基金会平顿研究所）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文提出基于14矩的完全相对论协变双流体模型，直接从Boltzmann-Vlasov方程导出广义Israel-Stewart型方程组，能捕捉各向异性压力与热通量等非理想效应，为黑洞吸积及致密天体周围等离子体模拟提供新框架。
2026-09-21 astro-ph.HE gr-qc nucl-th
Formation and Evolution of Pair-Alfvén Shocks with PIC Simulations
本研究通过一维和二维PIC模拟，探究无碰撞正负电子等离子体中正负电子对阿尔芬激波的稳定条件与增长机制，明确了自生阿尔芬波的维持作用及磁场强度、共振对激波存在的影响。
2025-07-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulation of Relativistic Jets and Associated Self-consistent Radiation
在无碰撞冲击中激发的等离子体不稳定性是粒子加速的原因。本文研究了非磁化相对论正负电子喷流在非磁化正负电子等离子体中传播时的粒子加速和激波结构。冷喷流电子被热化和减慢，而周围的电子被扫起，以创建一个部分发展的流体动力学样的激波结构。在前导冲击中，电子密度在模拟帧中增加约3.5倍。在尾激波中产生强电磁场，并提供发射点。这些磁场有助于电子的横向偏转后面的冲击。我们的喷流与环境相互作用的反平行磁场的初步结果显示堆积的磁场在碰撞冲击，这可能会导致重联和相关的粒子加速。我们将探讨瞬态辐射作为瞬发辐射前兆的一种可能的产生机制。在我们的模拟中，我们计算了冲击区电子的辐射。这种辐射的详细性质对于理解伽马射线暴、相对论喷流和超新星遗迹中复杂的时间演化和光谱结构是非常重要的。
2011-11-15 astro-ph.HE
Beaming and rapid variability of high-energy radiation from relativistic pair plasma reconnection
我们报告的角分布的高能粒子和辐射产生的相对论性碰撞的电子-正电子对等离子体重联，使用二维粒子在细胞模拟的第一次研究。我们发现了一个强大的各向异性的粒子加速重联和相关的强光束的辐射。粒子和辐射的聚焦随着能量的增加而增加;从这个意义上说，这种“动力学聚束”效应与高能天体物理学中通常引用的相对论多普勒聚束有着根本的不同，在高能天体物理学中，所有的光子都被聚焦并以消色差的方式增强。我们还提出，第一次，同步辐射的建模所看到的外部观察者在重连过程中。预期的光变曲线包括几个明亮的对称子耀斑发射的高能粒子束扫过视线间歇性，并表现出超快的时间变化短约十分之一的系统光交叉时间。高能粒子集中在磁岛内部的致密区域和粒子的各向异性解释了快速的变化。这种重联的辐射特征可以解释蟹状星云和耀变体中伽马射线耀斑的亮度和变化。
2012-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Saturation of the asymmetric current filamentation instability under conditions relevant to relativistic shock precursors
通常在超音速等离子体流的逆流中出现的电流偏转不稳定性，以其将与各向异性动量分布相关的自由能转换成动力学尺度磁场的能力而闻名。这种不稳定性的饱和已被广泛研究的对称配置，其中相互渗透的等离子体共享相同的属性（速度，密度，温度）。然而，在许多物理环境中，最常见的配置是不对称等离子体流。例如，相对论性无碰撞冲击波的前身包括在冲击波前沿反射的热的、稀释的加速粒子束和冷的、密集的流入背景等离子体。为了确定适当的标准饱和在这种情况下，我们进行了大规模的二维粒子模拟逆流电子-正电子对和电子-离子等离子体。我们表明，在互穿对等离子体中，相关的标准是磁捕获的组件（光束或等离子体），进行较大的惯性的两个，即，不稳定增长突然放缓，一旦这些粒子的频率等于或超过不稳定的增长率。我们提出的饱和度的理论近似。这些发现仍然有效的电子-离子等离子体提供的电子和离子是接近均分的等离子体流的较大的惯性。我们的结果可以直接应用于相对论性弱磁化冲击波的物理，但它们也可以推广到其他情况下的研究。
2021-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Multiband Emission from Pulsar Wind Nebulae: A Possible Injection
Spectrum
最近的一项研究表明，具有相对论麦克斯韦谱加上高能尾的粒子可以被相对论无碰撞激波加速。在脉冲星风星云（PWNe）多波长辐射研究的基础上，探讨了脉冲星风星云（PWNe）终止激波中注入新谱高能粒子的可能性。{The利用电子/正电子注入的动力学模型，研究了超新星遗迹（SNR）的动力学和遗迹内部PWN的多带非热辐射。在这个模型中，在非辐射超新星遗迹中的脉冲星风星云的动力学和辐射演化可以自洽地描述。{This模型应用于G0.9 + 0.1、MSH 15 - 52、G338.3 - 0.0三种复合信噪比，能很好地再现三种PWNe的多带观测辐射。{Our对这三个残留物的研究为注入PWN的被终止激波加速的粒子的新谱提供了证据。
2010-03-08 astro-ph.HE
Plasma Instabilities Dominate Radioactive Transients Magnetic Fields: The self-confinement of leptons in Type Ia and Core-Collapse Supernovae, and Kilonovae
本文利用全动理学PIC模拟证明等离子体不稳定性可自生磁场并约束高能轻子，从而解释超新星正电子俘获现象，并评估了Ia型超新星同步辐射射电的可探测性。
2025-07-18 astro-ph.HE
Simulations of Ion Acceleration at Non-relativistic Shocks. III. Particle Diffusion
我们使用大混合（动力质子流体电子）模拟研究自洽电磁配置的无碰撞冲击的高能粒子的运输。在本系列的前几篇论文中，我们证明了离子加速可能非常有效（能量高达$10-20\%$），并概述了高能粒子流如何放大上游磁场。在这里，我们测量不同强度的冲击周围的粒子扩散，发现高能离子的俯仰角散射的平均自由程与它们在自生湍流中计算的gyroradii相当。对于中等强度的冲击，磁场放大在准线性区域进行，并且粒子根据自生扩散系数扩散，即，散射率仅取决于波长与粒子回旋半径相当的模式中的能量的量。相反，对于非常强的冲击，磁场被放大到非线性水平，大部分能量处于波长与最高能量离子的回旋半径相当的模式中，高能粒子在放大的场中经历类似玻姆的扩散。我们还展示了如何增强扩散促进返回的高能粒子的冲击，从而确定的最大能量，可以通过扩散冲击加速在给定的时间内实现。参数化的扩散系数，我们得到的可以用来引入自洽的微观物理到大尺度模型的宇宙射线加速天体物理源，如超新星遗迹和星系团。
2014-10-07 astro-ph.HE
Nonthermal Particle Acceleration in 3D Relativistic Magnetic Reconnection in Pair Plasma
相对论性磁重联是高能天体物理等离子体中将磁场能量转化为等离子体能量的基本过程，它是脉冲星磁层和脉冲星风星云、吸积黑洞日冕和喷流以及伽马射线暴中粒子加速到超相对论能量所必需的能量的主要解释。因此，等离子体天体物理学的一个重要目标是表征重联对非热粒子加速（NTPA）的影响。重新连接供电的NTPA已被证明在广泛的物理条件下，使用大型二维（2D）动力学模拟。然而，它的鲁棒性在现实的3D重联-特别是，是否3D相对论漂移扭结不稳定性（RDKI）破坏NTPA -尚未系统地研究，虽然开拓性的3D模拟观察NTPA在孤立的情况下。在这里，我们提出了第一个全面的研究NTPA在3D相对论重联在无碰撞的电子-正电子等离子体，表征NTPA的3D效应的强度是通过在第三个维度的长度和强度的引导磁场系统地变化。我们发现，虽然RDKI显着扰动三维重联电流片，它不抑制粒子加速，即使为零引导场;完全三维重联鲁棒性和有效地产生非热幂律粒子光谱非常相似，在2D中获得的。这一发现为重联作为各种天体物理系统中高能耀斑的关键驱动机制提供了强有力的支持。我们还表明，强引导场显着抑制NTPA，减缓重联和限制可用于等离子体重联的能量，产生更陡，更短的幂律谱。
2017-07-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Reconnection and particle acceleration in 3D current sheet evolution in moderately-magnetized astrophysical pair plasma
磁重联是一种将磁能转化为粒子动能的等离子体过程，常被用来解释脉冲星风星云和黑洞喷流等天体物理源中高能耀斑的磁能释放。重联通常被视为撕裂不稳定性破坏薄电流片的非线性演化（基本上是二维的）。为了测试这个过程在3D中是如何运作的，我们进行了一个全面的粒子模拟研究，比较了中等磁化、无碰撞、相对论热的电子-正电子等离子体中长而薄的电流片的2D和3D演化，并发现了巨大的差异。我们首先系统地描述了这个过程中的二维，经典的，分层的等离子体团链重连决定能量释放，并探讨了广泛的初始配置，引导磁场强度，和系统的大小。然后，我们表明，类似的配置的三维模拟表现出多样性的行为，包括一些能量释放是由非线性相对论漂移扭结不稳定性。因此，3D电流片的演变并不总是从根本上经典的重新连接与扰动的3D效果，而是一个复杂的相互作用的多个线性和非线性不稳定性，其相对重要性敏感地依赖于周围的等离子体，未成年人的配置细节，甚至随机事件。它通常产生比2D更慢但更持久的最终更大的磁能释放。有趣的是，非热粒子加速非常稳健，这取决于上游磁化和引导场，但在2D和3D中产生类似的粒子能量谱。虽然潜在的电流片行为的多样性是有趣的，但整体能量释放和粒子谱的相似性可能更显着。
2021-12-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel instability driven by spatially anisotropic density structures
对伽马射线暴余辉的观测表明（伽玛暴），冲击后的磁场被强烈放大到冲击压缩值的100倍左右。韦伯不稳定性在产生磁场中起着重要的作用。然而，最近对均匀等离子体中无碰撞冲击的模拟表明，由韦伯不稳定性产生的磁场迅速衰减。在星际和星周介质中一定存在着密度涨落。在相对论激波的下游区域，密度起伏被各向异性压缩。本文利用二维粒子模拟方法研究了具有空间各向异性密度分布的正负电子等离子体中的韦伯不稳定性。我们发现，大的磁场保持较长的时间由空间各向异性密度结构驱动的韦伯不稳定性。粒子各向异性地从高密度区逃逸，从而产生温度各向异性，使韦伯不稳定性变得不稳定。我们的模拟结果表明，由各向异性密度结构驱动的韦伯不稳定性可以产生足够大的磁场，它们可以覆盖足够大的区域来解释伽玛暴的余辉发射。
2016-06-10 astro-ph.HE
The challenge of turbulent acceleration of relativistic particles in the intra-cluster medium
宇宙射线电子（CRe）在星系团内介质（ICM）中的加速是通过射电观测探测的，这些观测探测了一小部分星系团中的扩散的、Mpc尺度的同步辐射源。巨大的射电晕是ICM中非热活动最壮观的表现，目前的解释是假设在大规模集群合并期间驱动的湍流在几个GeV的CRe重新加速。这种情况意味着ICM中的复杂机制的层次结构，这些机制将能量从大尺度上消耗到等离子体中的电磁波动和粒子加速的无碰撞机制中。在本文中，我们专注于物理加速可压缩湍流。电磁波动的频谱和阻尼机制以及CRe的平均自由程（mfp）是决定加速效率的最相关成分。然而，这些成分在ICM知之甚少，我们表明，湍流加速度的计算也敏感，这些不确定性。另一方面，这一事实意味着星系团的非热性质探测了ICM的复杂微观物理和弱碰撞性质。
2015-09-10 astro-ph.CO astro-ph.HE
Radiative Signatures of Relativistic Shocks
对相对论性弱磁化无碰撞冲击波的粒子模拟表明，粒子可以通过反复穿越冲击波阵面获得能量。这需要散射自生的小长度尺度的磁波动。这种一阶费米加速机制的辐射特征对于伽马射线暴中的瞬发和余辉发射模型都很重要，并且取决于涨落的强度参数“a”。对于电子（和正电子），当散射产生的辐射损失不能被穿过激波获得的能量补偿时，加速饱和。我们表明，这套上限的电子洛伦兹因子和散射过程中辐射的光子的能量。这就排除了α < 1的自激涨落的“抖动”辐射作为伽马射线的来源，尽管当抖动光子在同步加速器自康普顿过程的模拟中被向上散射时，仍然可能产生高能光子。在a > 1的波动中，辐射由标准同步加速器机制产生，并且最大光子能量随着a线性上升，直到在大约70 MeV处饱和。
2010-01-05 astro-ph.HE
