Magnetorotational instability and dynamo action in gravitoturbulent astrophysical discs
虽然通常被孤立地对待，磁旋转和引力不稳定性（MRI和GI）可能在原行星盘和活动星系核的某些半径和演化阶段重合。它们之间的相互作用可以深刻地影响几个重要的过程，如吸积变化和爆发，碎裂和盘截断，或大规模磁场的产生。这两种不稳定性的直接数值模拟在计算上是具有挑战性的，并且仍然相对未被探索。在本文中，我们的目标是纠正这种忽视通过一组三维垂直分层剪切盒模拟，结合自重和磁场。我们发现，重力湍流大大削弱了零净通量MRI。在有效冷却（从而增强GI）的限制下，MRI被完全抑制，但强磁场由重力湍流维持。这种动荡的“螺旋波”发电机可能有广泛的应用，特别是在星系盘。最后，我们提出了初步的工作表明，一个强大的净垂直通量复苏的MRI和支持磁主导的状态，其中GI是次要的。
2017-09-20 astro-ph.EP astro-ph.HE
Global bifurcations to subcritical magnetorotational dynamo action in Keplerian shear flow
开普勒剪切流中的磁旋转发电机作用是一个三维非线性磁流体动力学过程，其研究对于理解天体物理中的吸积和磁场产生具有重要意义。向这种发电机形式的转变是亚临界的，并且与非旋转流体动力剪切流中向湍流转变的许多特征相同。这表明，这些不同的流体系统通过类似的通用分叉机制变得活跃，在这两种情况下，迄今为止还没有详细的了解。本文在剪切盒框架下，数值研究了不可压缩开普勒磁旋转发电机问题的分岔机制。使用从动力系统研究进口的数值技术，我们表明，在磁普朗特数大于1的混沌发电机行动的发病主要与全球同宿和异宿分岔的非线性磁旋转发电机周期。这些全球分支的补充，标志着倍周期级联的开始的周期的局部分支。这表明，非线性磁旋转发电机周期提供的途径，湍流注入的动能和磁能在不可压缩的磁流体动力学开普勒剪切流在没有外部施加的磁场。研究这些周期在不同的制度和配置的非线性物理和分叉，随后可能有助于更好地理解各种天体物理系统和实验室实验中的磁流体动力学湍流和不稳定驱动发电机的激发条件。为这个三维亚临界流体动力学问题提供的全局分叉的详细表征也可能证明对流体动力学剪切流中的湍流过渡问题有用。
2013-06-14 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Dissipative effects on the sustainment of a magnetorotational dynamo in Keplerian shear flow
磁旋转发电机一直被认为是天体物理学吸积盘中湍流角动量输运的可能驱动因素之一。然而，各种数值结果表明，这种发电机可能难以激发在天体物理学相关的制度的磁普朗特数（Pm）显着小于单位，目前还不清楚的原因。这篇文章的目的是提出的第一个结果，正在进行的数值调查的作用，在这个问题中的线性和非线性耗散效应。结合参数的探索和不可压缩的非线性MRI发电机周期的过渡动力学在大的纵横比剪切盒的能量分析，我们发现，湍流磁扩散的激励和维持这个发电机在中等磁雷诺数（Rm）越来越难以减少Pm。这将导致发电机的临界Rm的增加，增加运动学雷诺数（Re），与早期的数值结果一致。鉴于其非常通用的性质，我们认为，湍流磁扩散可能是一个重要的决定因素，MRI发电机激发磁盘，也可能限制MRI湍流在低PM制度的角动量运输的效率。
2014-10-13 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetohydrodynamic Turbulence Powered by Magnetorotational Instability in Nascent Proto-Neutron Stars
利用超新星核的三维模型模拟了中微子层周围对流稳定层中的磁旋转不稳定性。为了解决MRI不稳定模式，薄层近似只考虑径向全球分层。我们有趣的发现是，对流稳定层周围的中微子层成为完全湍流由于MRI和它的非线性渗透到强分层MRI稳定区域。MRI驱动的湍流的强度随着穿过核心的磁通量而增加，但受到存储在差动旋转中的自由能的限制。湍流中微子层是旋转核心坍缩的自然结果，可能对超新星机制产生积极影响。
2014-12-11 astro-ph.HE
Jet-driven explosion of an accretion-induced white-dwarf collapse via a magnetorotational dynamo
该研究通过三维广义相对论磁流体动力学模拟，发现磁转动发电机在吸积诱导坍缩中放大磁场并驱动喷流，为伽马射线暴和磁星形成提供机制。
2025-09-24 astro-ph.HE gr-qc
Resolution Dependence of Magnetorotational Turbulence in the Isothermal Stratified Shearing Box
由磁旋转不稳定性驱动的磁流体动力学（MHD）湍流可以在天体物理盘中提供角动量的扩散输运，理想的、分层的、等温剪切盒是一个广泛研究的计算模型。在这里，我们报告的收敛性研究的结果，这样的盒子高达分辨率的$N = 256$区每尺度高度，在蓝水域与ramses-GPU在NCSA进行。我们发现，时间和垂直积分的无量纲剪切应力$\overlineα \sim N^{-1/3}$，即剪切应力是分辨率相关的。我们还发现磁场相关长度随分辨率的增加而减小，$λ\sim N^{-1/2}$。这种变化在磁盘中平面最强。我们表明，我们的测量$α$是与早期的研究一致。我们讨论缺乏收敛的可能原因。
2017-02-02 astro-ph.HE
Sustained Magnetorotational Turbulence in Local Simulations of Stratified Disks with Zero Net Magnetic Flux
在采用剪切盒近似的局部模拟中，我们研究了密度分层对磁旋转不稳定性驱动的磁流体动力学湍流的影响。我们的主要结果是，即使在没有明确的耗散，增加垂直重力导致收敛的湍流能量密度和应力的分辨率增加，相反的结果为零净通量，未分层的盒子。总应力与中平面压力之比的平均值约为0.01，尽管在长时间（> 50个轨道）的时间尺度上可能会有显著的波动。我们发现，时间平均应力在很大程度上是不敏感的径向或垂直的长宽比我们的模拟域。对于模拟与明确的耗散，我们发现，分层扩展的范围内的雷诺数和磁普朗特数的湍流是持续的。在总结前人研究结果的基础上，我们发现了大尺度环向场周期为10个轨道的振荡，并描述了这些周期的发电机过程。
2009-09-08 astro-ph.HE
Dissipative structures in magnetorotational turbulence
通过吸积过程，磁旋转湍流从磁盘的轨道运动中移除能量并将其转化为热量。湍流加热远非均匀，通常集中在强烈耗散的小区域，其特征是突然的磁重联和更高的温度。这些区域之所以令人感兴趣，是因为它们可能以耀斑和高能粒子的形式产生非热发射，或者在原行星盘中产生热过程固体。此外，耗散的性质对磁旋转不稳定性（MRI）本身的基本动力学有影响：局部模拟表明湍流的大尺度性质（例如饱和度、应力-压力关系）取决于短耗散尺度。在本文中，我们进行了一个数值研究的MRI耗散和小规模的耗散结构，它采用这样做。我们使用Goddom程序RAMSES和不可分层的可压缩剪切盒。我们的模拟结果显示，耗散集中在强磁重联，显着拉长的方位角，高达一个规模的高度带。因此，耗散结构是中尺度的物体，并可能提供一个大尺度和小尺度相互作用的途径。我们继续展示这些带状物是如何随着时间的推移而演变的-形成、合并、分裂和消失。最后，我们揭示了MRI产生的大尺度密度波和小尺度结构之间的重要耦合，这可能会照亮MRI湍流中的应力-压力关系。
2018-03-23 astro-ph.HE
Magnetorotational dynamo can generate large-scale vertical magnetic fields in 3D GRMHD simulations of accreting black holes
本文首次在三维全局GRMHD模拟中识别并量化了由MRI非线性演化驱动的吸积黑洞大尺度垂直磁场发电机机制，揭示磁环平流的关键作用，并指出传统α-发电机模型不足，需用剪切流效应或随机α-发电机描述。
2023-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR
Large scale dynamo action precedes turbulence in shearing box simulations of the magnetorotational instability
我们研究发电机产生（指数增长）的大规模（平面平均）领域的非分层剪切盒模拟的磁旋转不稳定性（MRI）。与以前的研究仅限于水平（$x$-$y$）平均，我们证明了存在大规模的字段时，无论是水平或垂直（$y$-$z$）平均。通过计算平面平均场和功率谱，我们发现大规模的发电机行动在早期的MRI生长阶段-一个以前未确定的功能。快速增长的水平低模式和基准垂直模式在一个狭窄的波数范围内放大这些平面平均场的MRI增长阶段，湍流集之前。大尺度场增长需要线性波动而不是非线性湍流（如由模式-模式耦合定义的），并且作为MRI的直接全局模式增长。只有通过垂直平均，才能表明水平低波数MRI模式的增长直接反馈到初始垂直场，提供了关于为什么大尺度垂直场在饱和状态下维持对抗湍流扩散的线索。我们计算平面平均场方程中的项，以确定垂直和水平平均对大尺度场增长的个体贡献。发现从这种垂直平均获得的大规模场与Ebrahimi\& Blackman之前研究的全球圆柱模拟和准线性分析分析相当。我们讨论了这些新的结果，了解大规模MRI发电机饱和和湍流的潜在影响。
2016-05-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational Dynamo Action in the Shearing Box
本文在剪切盒近似下，研究了无外加净磁通量时由磁旋转不稳定性引起的磁发电机作用。与最近的研究一致，发电机的行动被发现是敏感的纵横比的盒子：这是更容易获得高盒（在垂直于磁盘平面的方向拉伸）比长盒（在径向方向拉伸）。我们的直接数值模拟表明，发电机是可能的，在这两种情况下，给定一个足够大的磁雷诺数。为了解释相对较大的努力，需要获得发电机行动在一个长的盒子，我们建议，最有效地折叠和混合的磁场线在径向方向上的不稳定性所造成的湍流涡流。因此，在长箱中，所产生的强方位（流向）磁场的尺度总是与湍流涡旋的尺度相当。相反，在高盒子中，方位角磁通量在垂直方向上传播超过湍流涡旋尺度的距离。其结果是，不同的垂直截面的高箱渗透的大规模非零方位磁通量，促进不稳定性。与此相一致，发电机有效时的情况下，其特征在于由一个强的方位角磁通量的磁不稳定性。
2017-04-27 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
A large scale dynamo and magnetoturbulence in rapidly rotating core-collapse supernovae
磁流体动力学（MHD）湍流在许多高能天体物理系统中具有重要意义，其中MHD不稳定性可以在很短的时间尺度上放大局部磁场。特别是，磁旋转不稳定性（MRI）和发电机作用已被认为是一种机制，以增长的磁强度磁场（$\ge10^{15} G$）和磁旋转动力的旋转大质量恒星的爆炸。这类恒星是Ic-bl型超新星爆发的候选祖先，也是所有与长伽马射线暴（GRB）有关的超新星。MRI已被研究与本地高分辨率剪切盒模拟在3D或全球2D模拟，但它是一个悬而未决的问题，是否MRI驱动的湍流可以导致在创建一个大规模的有序和动态相关的领域。在这里，我们报告的结果，从全球3D广义相对论磁流体动力学（GRMHD）湍流模拟和MRI驱动的MHD湍流在快速旋转的质子中子星产生的能量逆级联。我们发现一个大规模的有序的环形场，这是符合双极磁旋转驱动的外流的形成。我们的研究结果表明，快速旋转的大质量恒星是Ic-BL型超新星和长GRB的合理祖先，为磁星提供了一个可行的形成方案，并可能解释潜在的磁星动力超亮超新星。
2018-03-29 astro-ph.HE
Unified treatment of mean-field dynamo and angular-momentum transport in magnetorotational instability-driven turbulence
本文通过直接统计模拟建立统一平均场模型，同时处理MRI驱动湍流中的大尺度发电机与角动量输运，揭示旋转-剪切-电流效应和旋转-剪切-涡量效应分别产生径向和垂直磁场，并给出相关输运系数的显式形式。
2023-11-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stochastic Particle Acceleration in Turbulence Generated by the Magnetorotational Instability
我们研究吸积流中的随机粒子加速。磁旋转不稳定性（MRI）在吸积流内部产生湍流，而宇宙射线（CR）被湍流加速。我们计算的运动方程CR在MRI产生的湍流场与剪切盒近似无反作用的字段。结果表明，CRs通过与湍流场的相互作用随机地获得或损失其能量。CR在位形空间中各向异性地扩散：在未扰动流方向上的扩散系数大约是玻姆系数的20倍，而在其他方向上的扩散系数仅是玻姆系数的几倍。动量分布是各向同性的，其演化可以由动量空间中的扩散方程描述，其中扩散系数是CR动量的幂律函数。我们表明，剪切加速度有效地工作的高能粒子。我们还谨慎地注意到，在剪切盒近似中，沿着径向多次穿过模拟盒的粒子受到洛伦兹变换的非物理失控加速度，这需要特别小心。
2016-02-25 astro-ph.HE
Particle Acceleration during Magnetorotational Instability in a Collisionless Accretion Disk
利用粒子模拟方法研究了无碰撞吸积盘中磁旋转不稳定性（MRI）过程中粒子的加速。讨论了磁重联不仅对磁共振饱和，而且对相对论粒子产生的重要作用。由MRI发电机的作用引起的$p_{\perp} > p_{\para}$的等离子体压力各向异性导致磁重联的快速增长，导致具有硬幂律谱的非热粒子的快速产生。这种无碰撞吸积盘的有效粒子加速机制可能是解释大质量黑洞周围高能粒子起源的一个可能模型。
2013-06-28 astro-ph.HE
The Saturation Limit of the Magnetorotational Instability
对均匀剪切盒中磁旋转不稳定性（MRI）的模拟表明，磁场的渐近强度随着分辨率的增加而急剧下降。在这里，我模型的MRI驱动发电机作为一个大规模的发电机驱动的垂直磁螺旋通量。这种增长是由二次不稳定性驱动的大规模混合平衡的。饱和磁能密度几乎与典型涡流的垂直高度成线性关系。MRI可以驱动具有任意大的垂直波数的涡流，因此涡流厚度由扩散效应、由大尺度垂直场分量的磁张力或由磁浮力效应设定。在均匀，零磁通量，模拟只有第一个效果适用和发电机的饱和极限是由显式或数值扩散。确切的结果取决于数值的细节，但与以前的工作是一致的，包括声称饱和场能量作为气体压力的四分之一功率（我们解释为数值耗散的伪影）。随着模拟分辨率的增加，均匀剪切盒中的磁能密度将趋于零，但这对发电机或真实吸积盘中的角动量输运没有影响。饱和状态取决于磁普朗特数的说法也可能是模拟的人工制品，其中微物理传输系数设置MRI涡流厚度。最后，MRI发电机的效率是阿尔文速度与压力标度高度和局部剪切力的乘积之比的函数。当从下方接近统一时，发电机达到最大效率。
2009-02-05 astro-ph.HE astro-ph.SR
Inertial range of magnetorotational turbulence
通过最高分辨率模拟研究磁旋转湍流惯性区，发现恒定跨尺度能量通量及动磁能均分等特性，与简化磁流体动力学理论一致，为事件视界望远镜观测提供启示。
2024-08-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dwarf Nova Outbursts with Magnetorotational Turbulence
唯象盘不稳定性模型在再现观测到的矮新星爆发的光变曲线方面取得了成功，它在爆发时调用了一个增强的Shakura-Sunyaev $α$参数$\sim0.1-0.2$，而在平静时调用了一个低值$\sim0.01$。最近的磁旋转（MRI）湍流与适当的不透明度和状态方程的矮新星吸积盘的物理一致的模拟发现，热对流增强$α$在磁盘的爆发，但只有附近的氢电离过渡。在较高的温度下，对流不再存在，并且$α$返回到与静止时相当的低值。为了检查这种增强附近的氢电离过渡是否足以重现所观察到的光变曲线，我们将这种基于MRI的变化$α$光盘不稳定性模型，以及基于模拟的模型湍流耗散和对流传输。这些基于MRI的模型可以成功地再现观测到的爆发和静止持续时间，以及爆发幅度，尽管与标准的光盘不稳定性模型的参数不同。基于MRI的模型光变曲线表现出从爆发的衰变中的反射，这在矮新星中通常没有观察到。然而，我们强调了在椎间盘不稳定模型和MRI模拟中静止物理学的问题方面，这是造成这种行为的原因。
2016-08-03 astro-ph.HE
Origin of nonlinearity and plausible turbulence by hydromagnetic transient growth in accretion disks: Faster growth rate than magnetorotational instability
本文研究了一小段吸积盘中磁流体扰动的演化。众所周知，在吸积盘中，分子粘性可以忽略不计。因此，有人认为，一种称为磁旋转不稳定性（MRI）的机制负责在弱磁场存在下传输物质。然而，也有一些缺点，这对MRI的有效性提出了质疑。现在的问题是，是否其他的磁流体效应，如瞬态增长（TG），可以发挥重要作用，使系统中的非线性，即使在弱磁场。否则，无论是MRI还是TG，哪个主要负责揭示非线性使流动湍流？我们的结果明确地证明了高雷诺数（Re）的流动，这是现实的天体物理吸积盘的情况下，表现出非线性的扰动模式的TG比产生MRI的模式更快。对于一个固定的波矢量，MRI占主导地位的瞬态效应，只有在低Re，低于其值预计将在天体物理吸积盘，低磁场。这严重质疑了磁共振成像在天体物理学吸积盘中的（总体）说服力。
2015-08-11 astro-ph.HE
On the convergence of Magnetorotational turbulence in stratified isothermal shearing boxes
本文研究了具有零净磁通量的分层等温剪切盒中的收敛问题。我们目前的结果与最高分辨率到目前为止-高达200个网格点的压力规模的高度-没有明显的证据表明收敛。相反，麦克斯韦应力随着分辨率的增加而继续减小。我们提出了一些可能的情况来解释缺乏收敛的多层发电机系统的基础上。
2014-04-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
Emergence of nonlinearity and plausible turbulence in accretion disks via hydromagnetic transient growth faster than magnetorotational instability
本文研究了一小段吸积盘中磁流体扰动的演化。众所周知，在吸积盘中，分子粘性可以忽略不计。因此，有人认为，磁旋转不稳定性（MRI）是负责在弱磁场的存在下传输的物质。然而，也有一些缺点，这对MRI的有效性提出了质疑。现在的问题是，是否其他磁流体效应，如瞬态增长（TG），可以发挥重要作用，使系统中的非线性，即使在弱磁场。否则，无论是MRI还是TG，哪个主要负责揭示非线性使流动湍流？我们的结果明确地证明了高雷诺数（Re）的流动，即实际天体物理学中的吸积盘的情况，在扰动模的最佳TG下表现出的非线性比在产生MRI的最佳模下表现出的非线性快。对于一个固定的波矢，MRI占主导地位的瞬态效应，只有在低Re，低于其值预计将在天体物理吸积盘，低磁场。这严重质疑了磁共振成像在天体物理学吸积盘中的（总体）说服力。
2016-03-01 astro-ph.HE
Local Study of Accretion Disks with a Strong Vertical Magnetic Field: Magnetorotational Instability and Disk Outflow
我们进行了三维垂直分层的局部剪切盒理想磁流体力学模拟的磁旋转不稳定性（MRI），其中包括一个净垂直磁通量，其特征在于β_0（气体压力比磁压力的净垂直场在中平面）。我们考虑了β_0 =10^2、10^3和10^4，在前两种情况下，最不稳定的线性MRI模式在模拟中得到了很好的解决。我们发现MRI湍流的行为强烈地依赖于β_0：角动量的径向输运随着净垂直通量的增加而增加，当β_0 =10^4时，α =0.08，当β_0 =100时，α>1.0，其中α是Shakura-Sunyaev参数。一个临界值位于β_0 =10^3：当β_0>10^3时，盘由气压主导的中平面和磁主导的日冕组成。湍流强度随净通量的增加而增加，角动量输运主要由湍流脉动控制。导致大尺度磁场周期性翻转的磁力发电机仍然存在，但随着净通量的增加，它变得更加分散。当beta_0<10^3时，整个磁盘变成磁主导的。湍流强度饱和，磁力发电机熄灭。随着净通量的增加，产生了更强的大尺度场，这主导了角动量输运。由于磁离心机制的作用，一个强的外流从盘中发射出来，质量通量随净垂直通量线性增加，并在β_0 =10^2时显示出饱和迹象。然而，外流不太可能与全球风直接相关：当β_0>10^3时，由于发电机活动，大尺度场没有永久的弯曲方向，而当β_0 <10^3时，来自盘顶和盘底的外流向相反的方向弯曲，与物理盘风几何形状不一致。需要进行全球模拟，以解决外…
2013-02-17 astro-ph.HE
Global simulations of magnetorotational turbulence II: turbulent energetics
磁旋转湍流从重力中汲取能量，并最终通过耗散释放能量。然而，这种能量流的定量细节尚未评估全球磁盘模型。在这项工作中，我们研究了一个很好的解决，三维的，全球磁流体动力吸积盘模拟的能量评估磁，动能，和内能使用模拟数据的平均场方程。结果表明，湍流磁（动）能主要注入麦克斯韦（雷诺）应力和剪切（几乎开普勒）平均流之间的相关性，并通过耗散。这一发现不同于以往的工作，使用本地（剪切盒）模型，这表明，湍流动能主要来源于磁能量库。洛伦兹力提供了磁库和动能库之间的桥梁，将总湍流磁功率输入的约1/5转换为湍流动能。湍流能量（包括磁场和动能）主要由与湍流场相关的项驱动，仅受平均磁场的微小影响。平均场和湍流场之间的相互作用在感应方程中最为明显，平均径向磁场受到湍流电动势（EMF）的强烈影响。在准稳定的湍流状态下，大约2/3的坡印廷通量进入日冕，其余的在径向方向上传输磁能。与以往的研究相比，应力相关的部分坡印亭通量被发现占主导地位，这可能有重要的影响，“反射”模型的塞弗特星系日冕，通常调用的图片浮力上升的磁通量管通过平流。
2013-12-11 astro-ph.HE
Global simulations of magnetorotational turbulence III: influence of field configuration and mass injection
磁旋转湍流产生的应力可以在吸积盘中提供有效的角动量输运。然而，问题仍然存在的能力模拟磁盘再现观测推断的应力气体压力比。在本文中，我们提出了一套高分辨率的全球磁流体动力学磁盘模拟初始化与不同的领域配置：纯环形，垂直场线，嵌套极向环。包括一个质量源项，它允许总磁盘质量平衡模拟与长时间运行，也使快速质量注入的影响进行探讨。值得注意的是，不同水平的角动量输运过程中观察到的早期瞬态盘的演变。然而，给予足够的时间来放松，不同的模型演变到一个统计上类似的准稳态与应力-气体压力比，$α\sim 0.032-0.036$。从我们的研究结果表明，{ \it稳定的，孤立的}磁盘可能无法保持一个大规模的磁场或产生的值的应力-气体压力比暗示的一些意见。探索捕获磁场，注入垂直场，并迅速注入额外的质量到磁盘的影响的补充模拟表明，大的应力（$α\sim 0.1-0.25$）可以通过这些机制引起。模拟突出了共同的后期演变和特性的湍流磁盘的磁场允许自由演变。如果圆盘的边界、磁场注入的速率或质量补充的速率被修改以模仿天体物理学的圆盘，则会发生明显不同的圆盘演化。
2014-04-10 astro-ph.HE
Global simulations of magnetorotational turbulence I: convergence and the quasi-steady state
磁旋转湍流为吸积盘中的角动量输运提供了一种可行的机制。我们提出了全球性的，三维（3D），MHD吸积盘模拟，调查分辨率的湍流应力的依赖性。收敛的时间和体积平均应力-气体压力比，在值为$\sim0.04$，被发现的模型与径向，垂直和方位角分辨率为12-51，27，和12.5细胞每刻度高度（模拟网格是这样的细胞每刻度高度在径向方向上变化）。对盘的主体（|z| <2 H）进行控制体积分析，以检查磁能的产生和去除。麦克斯韦应力与平均磁盘旋转相结合，主要负责磁能的产生，而湍流耗散（由数值电阻率促进）主要是从磁盘中删除磁能。根据控制体积的边界上的麦克斯韦应力和控制体积内的洛伦兹力注入的功率来重新铸造磁能方程，突出了（控制体积的）边界条件的重要性。剪切盒和整体吸积盘模拟的不同收敛性质可以很容易地理解的基础上选择的边界条件和磁场配置。周期性边界条件限制了磁场中大尺度梯度的建立，限制了通过洛伦兹力和表面应力传递到磁盘的功率。这一发现解释了我们的全球盘模型相比，分层剪切盒的湍流应力收敛所需的三个较低的分辨率的因素。（节录）
2013-07-08 astro-ph.HE
Excitation of Trapped Waves in Simulations of Tilted Black Hole Accretion Disks with Magnetorotational Turbulence
我们分析了广义相对论磁流体动力学模拟中流体变量的时间依赖性，模拟了无量纲自旋参数a/M=0.9的黑洞的吸积流。我们考虑吸积材料的角动量与黑洞自旋轴对齐（非倾斜流）和错位15度（倾斜流）的情况。与未倾斜的模拟相比，倾斜的模拟表现出明显过量的惯性可变性，即在低于局部径向周转频率的频率处的可变性。我们进一步研究了这种类似惯性的功率的径向结构，重点是在三个分析的流体变量中发现的118（M/10 Msol）^-1 Hz处的径向扩展带。在该频率下的三维密度结构表明，功率是一种复合振荡，其主要成分是与背景流共转的过密团块，低阶惯性波和低阶惯性声波。我们的研究结果提供了初步确认早期的建议，磁盘倾斜可以是一个重要的激发机制的惯性波。
2009-10-10 astro-ph.HE
Turbulence Dynamo in Galaxy Clusters
通过对同步辐射和法拉第旋转的观测，已经证实了星系团中微高斯磁场的存在。它们是由团内介质（ICM）中的湍流运动通过小尺度发电机产生的。另一方面，一些巨大的射电遗迹显示了同步辐射偏振矢量的结构，在$\sim$ Mpc的尺度上组织，挑战集群磁场的湍流起源。与星际介质中的湍流不同，ICM中的湍流是亚音速的。在高度分层的背景下，当集群的分层形成过程中发生重大合并时，它会偶尔被驱动。为了定量地研究这种ICM环境中湍流发电机的特性，我们使用高阶精度的磁流体动力学（MHD）程序进行了一组湍流模拟。我们发现，如果把ICM的MHD描述扩展到$\sim$ kpc尺度，湍流发电机可以在宇宙年龄内从$10^{-15}$ G左右的原始种子场产生观测水平的团簇磁场。然而，极化矢量的高度有组织的结构，例如在香肠遗迹中观察到的那些，很难通过由磁场产生的磁场的冲击压缩来再现。这意味着巨型射电遗迹的建模可能需要在$\sim$ Mpc尺度上组织的预先存在的磁场。
2019-08-12 astro-ph.HE
Magnetic Helicities and Dynamo Action in Magneto-rotationally Driven Turbulence
我们研究之间的关系磁通量代，作为一个指标的大型发电机行动，和磁螺旋度，计算作为一个整体的发电机体积，在一个简单的发电机。我们认为发电机的行动驱动的磁旋转湍流（MRT）的剪切盒近似。我们考虑磁开放的边界条件，允许通量的螺旋度或计算域。我们规避了缺乏规范不变性的问题，在开放的领域，通过选择一个特定的规范-缠绕规范-提供了一个自然的解释，在成对场线的平均缠绕数。我们使用这个规范精确地定义和测量螺旋度和螺旋度通量的发电机行动的几个实现。我们发现，在这些情况下，系统作为一个整体不打破反射对称性和总螺旋度仍然很小，即使在大量的磁通量产生的情况下。我们没有发现产生的磁通量和螺旋度或通过边界的螺旋度通量之间的特殊联系。我们认为，这一结果可能是由于MRT发电机过程的本质上是非线性的。
2017-06-14 astro-ph.HE
Angular Momentum Transport and Particle Acceleration during Magnetorotational Instability in a Kinetic Accretion Disk
采用三维粒子模拟方法研究了无碰撞吸积盘中磁旋转不稳定性（MRI）过程中的角动量输运和粒子加速。我们表明，动力学MRI不仅可以提供高能量粒子加速，但也增强角动量输运。我们发现，主动磁重联引起的含$p_{\|} > p_{\perp}$的通道流内等离子体压力各向异性抑制了后续重联的发生，从而导致高的磁场饱和和角动量输运的Maxwell应力张量的增强.同时，在重联的静止阶段，等离子体各向同性化在通道流中进行，并且由于MRI的发电机作用，通道流外部的具有$p_{\perp} > p_{\|}$的各向异性等离子体有助于快速重联和强粒子加速。在无碰撞的吸积盘中，这种有效的粒子加速和增强的角动量输运可以解释在大质量黑洞周围观测到的高能粒子的起源。
2015-02-09 astro-ph.HE
Universal small-scale structure in turbulence driven by magnetorotational instability
在许多天体物理等离子体中，湍流的间歇性小尺度结构控制着能量耗散，并且通常被认为对足够大的系统具有普适性。在这项工作中，我们认为，小尺度湍流在吸积盘是普遍的，在这个意义上，它是不敏感的磁旋转不稳定性（MRI）和背景剪切，因此，在小尺度上与标准的均匀磁流体动力学（MHD）湍流难以区分。本文研究了剪切盒中磁共振驱动的不可压缩MHD湍流的电流密度、涡量和能量耗散的不稳定性。我们发现，模拟表现出类似程度的不稳定性，在标准的MHD湍流。我们对间歇性耗散结构进行了统计分析，发现能量耗散集中在薄片状结构中，这种结构跨越了大范围的尺度，直到盒子的大小。我们发现，这些结构表现出惊人的相似的统计特性，在标准的MHD湍流。此外，这些结构以大约17.5度的特征倾斜在环形方向上取向，这意味着在该方向上的有效引导场。
2017-02-09 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Wave interference as the origin of the cyclic magnetorotational dynamo in accretion disks: insights from weakly nonlinear theory and local shearing box simulations
Institute for Advanced Study（高等研究院）；Princeton University（普林斯顿大学）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（基础物理研究所）
本文通过弱非线性理论和局部剪切箱模拟，揭示了磁旋转不稳定性在吸积盘中产生大尺度循环发电机的波干涉机制，预测了周期和振幅的标度关系。
2026-05-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Hot accretion flows contain collisionless plasmas that are believed to be capable of accelerating particles to very high energies, as a result of turbulence generated by the magnetorotational instability (MRI). We conduct unstratified shearing-box simulations of the MRI turbulence in ideal magnetohydrodynamic (MHD), and inject energetic (relativistic) test particles in simulation snapshots to conduct a detailed investigation on particle diffusion and stochastic acceleration. We consider different amount of net vertical magnetic flux to achieve different disk magnetizations levels at saturated …
2021-06-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational turbulence in stratified shearing boxes with perfect gas equation of state and finite thermal diffusivity
本文对具有零平均磁通量的分层剪切盒中的湍流和发电机作用进行了数值研究。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。计算开始于跨越中平面上方和下方三个刻度高度的等温状态。经过长时间的瞬态后，各层稳定到一个稳态，在该稳态中，边界外的热损失被耗散加热所平衡。我们确定了两种制度。一种传导状态，其中热量主要通过传导传递，密度随高度降低。在大的热扩散率的限制，这一制度类似于更熟悉的等温情况。另一个，对流制度，观察到在较小的值的热扩散率，在该层变得不稳定的翻转运动，热量主要是通过平流和密度变得几乎恒定的整个层。在这后一个恒定密度制度，我们观察到的证据大规模发电机行动导致大幅增加运输效率相对于导电的情况下。
2012-10-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
Saturation of the magnetorotational instability and the origin of magnetically elevated accretion discs
本文提出MRI通过自调节机制决定净垂直磁场吸积盘中角动量输运强度，再现α∝β_z^{-1/2}标度关系，并将其推广到强环向磁场情形，指出磁抬升盘需额外湍流源，推测撕裂模可能是候选机制。
2023-04-16 astro-ph.HE
Pressure-anisotropy-induced nonlinearities in the kinetic magnetorotational instability
在无碰撞和弱碰撞的等离子体中，例如在致密物体上的热吸积流中，磁旋转不稳定性（MRI）可能与标准（碰撞）MRI显着不同。特别是，相对于局部磁场方向的压力各向异性可以改变线性MRI色散关系，并导致模式结构和增长率的非线性修改，即使当场和流扰动很小。这项工作研究这些压力各向异性引起的非线性弱非线性，高离子β政权，MRI饱和到强湍流之前。我们的目标是更好地了解如何在低碰撞性等离子体的MRI的饱和度可能不同于在碰撞制度。我们专注于两个关键的影响：（i）的直接影响的自感压力各向异性的非线性的MRI模式的演变，和（ii）的影响压力各向异性的“寄生不稳定性”被怀疑导致模式打破成湍流。我们的主要结论是：（i）镜不稳定性以这样一种方式调节压力各向异性，即一旦模式振幅变得大于背景场（就像在MHD中一样），无碰撞等离子体中的线性MRI是近似非线性解。这意味着无碰撞和碰撞MRI之间的差异在大幅度时变得不重要。(ii)大振幅MRI模式通过寄生不稳定性分解成湍流在无碰撞和碰撞等离子体中是相似的。总之，这些结论表明，在无碰撞等离子体中的磁旋转湍流的路线可能是类似的碰撞等离子体中，最近的动力学模拟所建议的。作为对这些发现的补充，我们为未来磁旋转湍流动力学模拟的设计提供了指导。
2017-11-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The theory of magnetohydrodynamic (MHD) turbulence predicts that Alfvénic and slow-mode-like compressive fluctuations are energetically decoupled at small scales in the inertial range. The partition of energy between these fluctuations determines the nature of dissipation, which, in many astrophysical systems, happens on scales where plasma is collisionless. However, when the magnetorotational instability (MRI) drives the turbulence, it is difficult to resolve numerically the scale at which both types of fluctuations start to be decoupled because the MRI energy injection occurs in a broad rang…
2022-05-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Convective Quenching of Field Reversals in Accretion Disc Dynamos
磁旋转湍流的垂直分层剪切盒模拟通常表现出所谓的准周期方位场反转的蝴蝶图。然而，在流体动力对流的存在下，场反转不再发生。相反，方位场强度准周期性地波动，同时保持相同的极性，其可以关于盘中平面对称或反对称。使用Hirose等人（2014）的模拟数据，我们证明了在存在对流的情况下缺乏场反转是由于磁场从更强磁化的上层到中平面的流体动力学混合，然后消除了从那里开始的场反转。我们的对流模拟在几个方面不同于其他人在以前的工作中报道的那些，其中较强的磁化可能起着比对流更重要的作用。
2017-01-27 astro-ph.HE
Cosmic ray current-driven turbulence and mean-field dynamo effect
我们表明，α效应是由宇宙线贝尔不稳定性激发左右不对称湍流。阿尔芬波的一个优选的偏振有最大的螺旋运动，因为每个模式的横向运动是平行于它的旋度。我们展示了如何大规模的阿尔芬模式，当呈现不稳定的宇宙射线流，可以创建新的净通量在任何有限的区域，在原来的大规模领域的方向。我们进行直接数值模拟（DNS）的MHD流体与强迫宇宙线电流和使用测试场的方法来确定α效应和湍流磁扩散率。根据DNS，不稳定性的动力学过程有以下几个阶段：（i）在早期阶段，小尺度Bell不稳定性被激发，导致小尺度湍流的产生，（ii）在中期阶段，大尺度磁结构的形成;（iii）最后，准定常大尺度湍流以与发电机不稳定性预期的增长率相当的增长率形成，但其在更长时间尺度上的幅度仍不清楚。DNS的结果与理论估计符合得很好。有人建议，这种发电机是什么给弱磁化相对论冲击，如那些从伽马射线暴的宏观相关长度。它也可能是重要的大规模磁场放大与宇宙射线的生产和扩散冲击加速超新星遗迹（SNR）和冲击波从伽马射线暴。贝尔湍流对SNR的磁场放大作用是显著的，但由于超阿尔文膨胀的残余物可用的时间有限，这种放大作用是有限的。的机制的有效性被证明是依赖于冲击速度。
2012-04-19 astro-ph.HE
The magnetorotational instability (MRI) is a fundamental mechanism determining the macroscopic dynamics of astrophysical accretion disks. In collisionless accretion flows around supermassive black holes, MRI-driven plasma turbulence cascading to microscopic (i.e. kinetic) scales can result in enhanced angular-momentum transport and redistribution, nonthermal particle acceleration, and a two-temperature state where electrons and ions are heated unequally. However, this microscopic physics cannot be captured with standard magnetohydrodynamic (MHD) approaches typically employed to study the MRI. …
2022-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Turbulence and Dynamo Interlinks
湍流在天体物理环境中的作用及其与磁场的相互作用仍然存在很大争议。在这个讲座中，我们将在发电机过程的框架中讨论这个问题。我们将首先介绍一个非常简短的总结湍流发电机理论，然后将集中在小尺度湍流发电机和它们的特殊相关性的起源和维持的磁场在星系团内介质（ICM）的星系。在这些环境中，非常低密度的流动需要无碰撞MHD处理。我们将展示这种方法在这些环境中的磁场的湍流放大的影响。最后，我们还将简要地讨论MHD湍流和快速磁重联之间的联系及其在发电机过程中磁通量扩散的可能影响。
2013-01-25 astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic Flux Concentration and Zonal Flows in Magnetorotational Instability Turbulence
吸积盘可能被外部垂直磁通量穿过，这通过磁旋转不稳定性（MRI）增强了湍流水平。使用剪切盒模拟，我们发现，这样的外部磁通量也强烈增强带状径向密度变化的幅度称为纬向流。此外，我们报告说，垂直磁通量强烈集中向低密度区域的纬向流。平均垂直磁场在低密度区域可以增加一倍以上，在某些情况下，在高密度区域可以减少到几乎为零。在理想磁流体力学中，磁通量集中的尺度可以达到几个圆盘尺度高度。在具有强双极扩散的非理想MHD区域中，磁通量以一定的增强水平集中到薄的轴对称壳体中，其尺寸通常小于半个标度高度。我们表明，磁通量浓度密切相关的事实，即磁扩散率的MRI湍流是各向异性的。除了传统的欧姆样湍流电阻率，我们发现，有一个垂直速度和水平磁场波动，产生一个平均电场的作用，以反扩散的垂直磁通量之间的相关性。各向异性的湍流扩散率具有类似于霍尔效应的性质，并且可能对吸积盘中磁通量输运具有重要意义。磁通量集中的物理起源可能与通道流的发展有关，随后是磁重联，其作用是降低局部区域的质量-通量比。增强的纬向流与磁通量集中的关联可能导致原行星盘中的全球压力隆起，这有助于捕获尘埃颗粒并促进行星形成。
2014-09-08 astro-ph.EP astro-ph.HE
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
We present a thorough numerical study on the MRI using the smoothed particle magnetohydrodynamics method (SPMHD) with the geometric density average force expression (GDSPH). We perform shearing box simulations with different initial setups and a wide range of resolution and dissipation parameters. We show, for the first time, that MRI with sustained turbulence can be simulated successfully with SPH, with results consistent with prior work with grid-based codes. In particular, for the stratified boxes, our simulations reproduce the characteristic butterfly diagram of the MRI dynamo with saturat…
2021-05-03 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Nonmodal growth of the magnetorotational instability
我们用非模态方法分析了磁旋转不稳定性（MRI）在短时间内的线性增长。我们的研究结果是完全不同的标准结果，说明剪切波能量可以增长在最大的MRI率，$-dΩ/d \ln r,$的任何选择的方位角和垂直波长。此外，通过比较剪切波的增长与静态结构，我们表明，在短时间尺度剪切波将永远是动态的更重要的比静态结构在理想的限制。通过证明快速线性增长是可能的，在所有波长，这些结果表明，非模态线性物理可以在MRI湍流中发挥重要作用。
2014-06-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Insufficient numerical resolution of grid-based, direct numerical simulations (DNS) hampers the development of instabilitydriven turbulence at small (unresolved) scales. As an alternative to DNS, sub-grid models can potentially reproduce the effects of turbulence at small scales in terms of the resolved scales, and hence can capture physical effects with less computational resources. We present a new sub-grid model, the MHD-instability-induced-turbulence (MInIT) mean-field model. MInIT is a physically motivated model based on the evolution of the turbulent (Maxwell, Reynolds, and Faraday) stre…
2022-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Evolution of the magnetorotational instability on initially tangled magnetic fields
以前的磁旋转不稳定性（MRI）模拟的初始磁场总是包括一个显着的系统规模的组成部分，即使是随机的。然而，它是概念和实际利益，以评估是否MRI可以增长时，初始场是湍流。天体物理等离子体中普遍存在的湍流或随机流一般会导致一个小尺度发电机（SSD），它将提供初始种子湍流速度和磁场的等离子体，成为吸积盘。MRI能从这些更现实的初始条件中发展出来吗？为了解决这个问题，我们提供了一个标准的剪切盒与各向同性强制SSD产生的磁场和速度场作为初始条件，并删除强制。我们发现，如果最初提供的领域是太弱或太不相干，他们从最初的湍流级联衰减速度比他们可以通过MRI增长。当初始提供的场足以允许MRI生长和维持时，饱和应力、大尺度场和功率谱与具有初始大尺度垂直场的标准零净通量MRI模拟的那些相匹配。
2017-10-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
In relativistic magnetized plasmas, asymmetry in the number densities of left- and right-handed fermions, i.e., a non-zero chiral chemical potential mu_5, leads to an electric current along the magnetic field. This causes a chiral dynamo instability for a uniform mu_5, but our simulations reveal a dynamo even for fluctuating mu_5 with zero mean. It produces magnetically-dominated turbulence and generates mean magnetic fields via the magnetic alpha effect. Eventually, a universal scale-invariant k^(-1) spectrum of mu_5 and a k^(-3) magnetic spectrum are formed independently of the initial condi…
2022-02-12 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.flu-dyn
In their early stages, protoplanetary discs are sufficiently massive to undergo gravitational instability (GI). This instability is thought to be involved in mass accretion, planet formation via gas fragmentation, the generation of spiral density waves, and outbursts. A key and very recent area of research is the interaction between the GI and magnetic fields in young protoplanetary discs, in particular whether this instability is able to sustain a magnetic field via a dynamo. We conduct three-dimensional, stratified shearing-box simulations using two independent codes, PLUTO and Athena++, to …
2021-06-07 astro-ph.EP astro-ph.HE
Understanding large-scale dynamos in unstratified rotating shear flows
本研究结合模拟与新分析方法，克服过往研究缺陷，揭示无分层旋转剪切流中非螺旋平均场大尺度发电机的增长与饱和机制，阐明其场放大、再生及饱和的具体物理过程。
2025-11-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
The magnetorotational instability as a jet launching mechanism
磁旋转湍流和磁驱动盘风通常被认为是独立的过程。然而，现实的天体物理圆盘预计会受到这两种影响，尽管可能在不同的时间和地点。我们在这里调查这两种现象之间的潜在联系，使用混合的数值和分析方法。我们特别表明，大规模的MRI模式，占主导地位的强磁化光盘（等离子体β ~10）自然产生磁驱动外流的非线性制度。我们发现，这些外流有许多相似之处，在文献中发现的本地和全球盘风的解决方案。我们还调查了这些外流的三维稳定性，并表明它们是不稳定的动态时间尺度。这些结果之间的过渡射流发射光盘和标准的“粘性”光盘的影响进行了讨论。
2012-10-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle-in-cell Simulations of the Magnetorotational Instability in Stratified Shearing Boxes
本研究针对黑洞周围低光度吸积盘的无碰撞磁旋转不稳定性，开展带净垂直场分层剪切盒的二维三维PIC模拟，发现盘膨胀、外流、类发电机过程等，证实非热粒子加速幂律分布，为低光度吸积盘MRI效应建模迈出第一步。
2023-08-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Numerical simulations of the magnetorotational instability in protoneutron stars: I. Influence of buoyancy
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是快速旋转质子中子星磁场放大的一种很有前途的机制。与吸积盘相反，由熵和轻子分数梯度驱动的径向浮力预计具有与旋转和剪切一样重要的动力学作用。我们调查的浮力的MRI的非线性相位的影响知之甚少，通过三维数值模拟的本地模型在赤道平面的质子中子星。Boussinesq近似的使用使我们能够利用剪切箱模型与干净的剪切周期性边界条件，同时考虑到径向熵和成分梯度驱动的浮力。我们发现，显着更强的湍流和磁场在不稳定的流动。另一方面，浮力只有有限的影响湍流的强度和磁场放大的粘性稳定的流动中存在的一个现实的热扩散。然而，在后一种情况下，湍流的性质受到显著影响。特别是，相对于极向分量，磁场和速度的环向分量变得更加占主导地位。此外，我们观察到在稳定的浮力制度的长期生活的连贯结构，如通道流和纬向流的形成。总的来说，我们的研究结果支持的能力，MRI放大磁场显着，即使在稳定分层区域的质子中子星。
2015-04-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
