Particle injection in three-dimensional relativistic magnetic reconnection
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Oxford（牛津大学）
研究三维相对论磁重联中粒子注入机制，分析磁化率对注入能量的影响及各加速机制对注入粒子的贡献，通过全动能粒子-网格模拟揭示相关关系。
2026-02-19 astro-ph.HE
The Mechanism of Electron Injection and Acceleration in Trans-Relativistic Reconnection
磁重联过程中的电子加速被认为在天体物理系统的时变高能辐射中起着关键作用。利用粒子模拟方法研究了低$β$电子-质子等离子体中的电子注入和加速机制。我们建立了密度和场结构的多样性（例如，X点和等离子体团）通过改变引导场强度并选择是否触发重连或让它自发地演变。我们表明，X点和等离子体团的数量控制电子加速的效率，与更多的X点导致更高的效率。使用在飞行中的加速诊断，我们还表明，与X点相关的非理想电场在电子加速的第一阶段起着至关重要的作用。作为进一步的诊断，我们包括两个群体的测试粒子，选择性地经验只有某些成分的电场。我们发现平行电场的面外分量决定了电子能量分布的高能尾部的硬度。这些结果进一步加深了我们对磁重联中电子加速的理解，并对黑洞吸积流的现实模型产生了影响。
2019-08-16 astro-ph.HE
Nonuniform Particle Injection into Black Hole Jets by Radiative Magnetic Reconnection
Astronomical Institute, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科天文学研究所）；Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Tohoku University（东北大学前沿学际研究院）
研究通过高能光子在黑洞附近非轴对称磁重联中产生电子-正电子对，解释喷流中的等离子体来源及射电辐射机制。
2026-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Reconnection-driven particle acceleration in relativistic shear flows
剪切流中的粒子散射被用来解释相对论性天体物理喷流边界的非热发射。然而，粒子注入的物理学，即，允许热粒子参与剪切驱动加速的机制仍然未知。利用粒子模拟方法，研究了相对论性磁主导的电子-正电子喷流与弱磁化的电子-离子环境等离子体之间的速度剪切所导致的Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性的发展.我们发现，在其非线性阶段，KH涡产生动力学尺度的重联层，有效地激励射流粒子，从而提供了一个第一原理机制，粒子注入到剪切驱动的加速。我们的工作支持喷流发射的脊柱鞘模型-快速的核心/脊柱被较慢的鞘包围-并且可以解释相对论喷流边界处的无线电发射电子的起源。
2020-09-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Reconnection-Driven Injection and Stochastic Reacceleration during Cosmological Magnetogenesis
Korea Astronomy and Space Science Institute（韩国天体宇宙科学研究所）
研究宇宙磁生成过程中磁重联能否提供超热质子种子粒子，发现重联可产生超热尾但非热能量分数极小，对宇宙线能量预算贡献可忽略。
2026-06-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
Effective resistivity in relativistic collisionless plasmoid-mediated reconnection
本文通过PIC模拟研究相对论无碰撞等离子体团介导重联，发现非理想电场由非回旋热压力梯度驱动，并提出局域有效电阻率模型，为重联高能辐射的全局建模提供物理基础。
2025-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Axion magnetohydrodynamics and reconnection-driven axion bursts
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Instituto Politécnico de Lisboa（里斯本高等工程学院，里斯本理工学院）；GoLP/Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa（等离子体与核聚变研究所，里斯本技术学院，里斯本大学）
本文提出超越理想极限的轴子磁流体力学，保留轴子惯性和非理想等离子体本质物理。磁重联自然激发混合阿耳文-轴子模，实现磁场与轴子间的相干能量交换，导致中子星和磁星中磁重联驱动的暂态轴子爆发。
2026-05-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Comparison of magnetic diffusion and reconnection in ideal and resistive relativistic magnetohydrodynamics, ideal magnetodynamics, and resistive force-free electrodynamics
本研究比较四种物理模型的磁扩散与重联特性，发现理想模型数值电阻率难复现显式电阻关键特征，明确了不同模型在磁衰减、重联率标度及结构上的差异，为高能天体模拟模型选择提供依据。
2025-09-24 astro-ph.HE
Fast magnetic reconnection: The "ideal" tearing instability in classic, Hall, and relativistic plasmas
磁重联被认为是天体物理学中许多爆炸现象的驱动力，从太阳到磁星和蟹状星云中的伽马射线耀斑。然而，经典MHD模型的重连率太慢，无法解释这样的观测结果。最近，人们意识到，当电流片变得足够薄时，撕裂不稳定性的重联率变得“理想”，在这个意义上，电流片在“宏观”阿尔夫文尼克时间尺度上不稳定，而不管等离子体的伦德奎斯特数。在这里，我们提出了2D可压缩MHD模拟在经典，霍尔和相对论制度。特别是，二次撕裂不稳定性的发病率内Hall-MHD的第一次调查。在相对论MHD的框架下，我们总结了Del Zanna等人[1]的主要结果：相对论撕裂不稳定性是非常快的，重联率是光穿越时间的倒数，这是解释高能爆炸现象所需要的。
2018-01-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
A Model for Nonthermal Particle Acceleration in Relativistic Magnetic Reconnection
本文提出一个半解析模型，通过结合粒子注入、加速和逃逸过程，并利用动理学模拟评估模型系数，系统研究了相对论磁重联中的非热粒子加速，准确重现了幂律光谱特征并预测了天体物理系统中的幂律指数与拐折能量。
2023-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Reconnection of Gravitational Fields
Columbia University（哥伦比亚大学）；Universidad Adolfo Ibáñez（阿道夫·伊巴涅斯大学）
本文在广义相对论标架表述下提出引力重连理论，定量刻画引力场片连通性改变，并揭示其对能量-动量交换及引力螺旋度演化的影响。
2026-09-24 astro-ph.HE gr-qc hep-th
The Role of Electric Dominance for Particle Injection in Relativistic Reconnection
本文利用二维粒子模拟研究无引导场相对论性正负电子对重联，量化电主导区域（E>B）对粒子注入阶段能量增益的贡献，发现该贡献随磁化参数增大而显著提高，并给出能量增益分布的经验模型。
2025-01-01 astro-ph.HE hep-ph
Kink-driven magnetic reconnection in relativistic jets: consequences for X-ray polarimetry of BL Lacs
我们调查与相对论MHD模拟的BL紫胶喷流的耗散物理，通过研究的粒子加速的扭结不稳定性在一个磁主导的等离子体柱的同步极化签名。扭结不稳定性的非线性阶段产生电流片，其中粒子可以通过磁重联有效地加速。我们将电流片识别为s = J d/B高于某个预定义阈值的区域（其中B是场强，J是电流密度，d是网格尺度），并假设粒子注入效率与电流的平方成比例。X射线发射粒子具有短的冷却时间，因此它们仅探测它们的注入部位的场几何形状。相比之下，在光学波段发射的粒子，我们遵循自洽，因为它们传播远离他们的注射部位，同时冷却，采样更大的体积，所以他们可能会产生不同的偏振签名。我们发现偏振度在X射线和光学波段之间大致相同，因为即使是光发射粒子也不会远离它们被注入的电流片，这是由于缺乏足够的扭结产生的湍流。由于X射线和光学发射粒子探测的区域不同，偏振角在两个带之间显示出不同的时间演化。鉴于即将到来的IXPE卫星，我们的研究结果可以帮助限制是否扭结诱导重连（而不是冲击）可以从BL Lac的多波长发射源。
2020-11-17 astro-ph.HE
Momentum transport from current-driven reconnection in astrophysical disks
电流驱动的重联作为一种可能的机制，在天体物理磁盘的角动量输运进行了研究。对电流驱动的磁流体动力学不稳定性的角动量输运进行了理论和计算研究。结果表明，在角向开普勒流存在的情况下，单一的电阻撕裂不稳定性和理想的不稳定性都可以传输动量。通过解析准线性理论和计算，研究了单模麦克斯韦应力的结构。全非线性多模式计算表明，一个全球性的麦克斯韦应力导致显着的动量输运。
2011-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Synchrotron Gamma-Ray Emission Model of the Giant Outburst of Quasar 3C 279 in 2015 June: Fast Reconnection or Stochastic Acceleration with Electromagnetic Cascade?
我们使用随时间变化的数值模拟测试了2015年6月观测到的blazar 3C 279非常明亮的伽马射线耀斑的同步辐射场景。高达100的体洛伦兹因子可以使同步加速器的最大能量超过GeV的能量范围。我们发现两种可能的解决方案的X射线到伽马射线光谱。一种是具有硬幂律指数的瞬发电子注入模型，正如磁重联模型所建议的那样。由于次级电子-正电子对，太强的磁场会产生太亮的同步加速器X射线通量。即使在瞬发电子注入模型中，坡印廷通量光度也至多与伽马射线或电子光度相当。另一个模型是随机加速模型，它导致了一个非常独特的图片伴随着电磁级联和再加速的次级电子-正电子对。在这个模型中，与伽马射线和电子相比，磁场的能量预算非常低。
2020-01-29 astro-ph.HE
Turbulent Reconnection in Relativistic Plasmas And Effects of Compressibility
本文利用三维相对论电阻磁流体力学模拟研究了湍流对相对论等离子体中磁重联的影响。我们发现，由于湍流效应类似于非相对论的情况下，重新连接率成为独立的等离子体电阻率。我们还发现可压缩湍流效应修正了非相对论不可压缩等离子体中预测的湍流重联率;当注入速度接近Alfvén速度时，重联率饱和甚至衰减。结果表明，当Alfvén马赫数达到约$0.3$时，当可压缩分量变为不可压缩模式的一半时，可压缩性不容忽视。所获得的最大重连率约为$0.05$至$0.1$，如果注入规模与片材长度相当，则其将能够达到约$0.1$至$0.2$。
2015-10-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Low-energy Injection and Nonthermal Particle Acceleration in Relativistic Magnetic Turbulence
本研究通过二维全动力学粒子模拟，发现相对论性磁湍流中注入能量随区域增大收敛至约10m_ec²，且垂直电场在注入和后续增能中可能起主导作用，有助于理解天体物理非热粒子产生。
2024-12-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Composition-asymmetric and sheared relativistic magnetic reconnection
本研究首次模拟组分不对称且受剪切作用的相对论性磁重联，发现其由低磁化强度侧驱动，降低电子加速效率，但可能促进黑洞喷流-盘边界的等离子体混合与粒子注入。
2024-09-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ideal Magnetohydrodynamic Simulations of Low Beta Compact Toroid Injection into a Hot Strongly Magnetized Plasma
我们目前的结果从三维理想磁流体动力学模拟低$β$紧凑环（CT）注入到一个热的强磁化等离子体，目的是提供洞察CT燃料托卡马克与ITER（国际热核聚变实验堆）的相关参数。根据CT注入速度和CT与背景磁场比确定了一个制度，该制度似乎有希望用于精确的堆芯加燃料。冲击占主导地位的政权，这可能是不利的托卡马克燃料，也确定。CT穿透深度与CT注入速度和密度成正比。整个CT演化可分为三个阶段：（1）初始穿透，（2）沿传播方向压缩并与背景磁场重连，以及（3）静止并沿垂直于注入方向扩散。由于CT穿过背景等离子体的快速通过时间，未观察到CT倾斜。
2009-06-25 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Super-Fermi Acceleration in Multiscale MHD Reconnection
该研究针对二维 MHD 等离子体团重联中的带电粒子加速，揭示 $\vec{E}\times\vec{B}$ 漂移收缩轨道引发超级费米加速，并给出能量增益幂律及尺度依赖。
2023-03-30 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Hard particle spectra of galactic X-ray sources by relativistic magnetic reconnection in laser lab
磁重联是指不同方向的磁场线相互“重联”，导致磁场拓扑重新排列，并将磁场能转化为动能（K. E.）高能粒子。这一过程发生在磁化的天文等离子体中，如日冕、地球磁层和活动星系核中的等离子体，并解释了各种现象，如太阳耀斑、高能粒子加速和光子发射的动力。本文报道了相对论电子磁化情况下的磁重联实验，以及在电子和质子能谱中观察到的幂律分布的流出。用强激光照射“微线圈”，产生相对论磁化等离子体，并在最大磁场3 kT下实现了磁重联。在下游流出方向上，在电子和质子光谱的高能部分观察到非热分量，电子光谱的幂律斜率明显更硬（p = 1.535 +/- 0.015），这与解释天鹅座X-1（具有相同磁化阶数的银河系X射线源）硬发射尾的电子注入模型相似。实验结果表明，银河X射线源发射区的磁化条件足以通过磁重联建立硬电子布居。
2019-04-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cosmic Ray Acceleration in Magnetic Reconnection Sites
宇宙射线（CR）加速仍然是研究人员面临的挑战。在天体物理环境中，快粒子可以通过各种过程被加速。特别是在磁重联站点的加速，最近吸引了研究人员的注意，不仅因为它在太阳系背景下的潜在重要性，而且在其他天体物理环境中，如致密恒星源，AGN和GRB，甚至在ISM和IGM等扩散介质中，特别是当环境是磁主导时。在这次演讲中，我们回顾了这一过程，并提出了三维碰撞MHD模拟，注入了数千个测试粒子，从它们的能谱的演变中可以看出，它们可以通过大尺度磁流片内的一阶费米过程通过重联有效地加速（特别是当局部湍流存在时，这使得重联快速，加速层较厚）。
2014-01-20 astro-ph.HE
Relativistic reconnection with effective resistivity: I. Dynamics and reconnection rate
本研究通过对比有效电阻率ResRMHD模拟与PIC模拟，验证了有效电阻率公式能定量再现相对论性磁重联动力学，其重联率与PIC一致，远优于恒定电阻率模型。
2024-12-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection, Cosmic Ray Acceleration, and Gamma-Ray emission around Black Holes and Relativistic Jets
粒子加速的磁重联是目前公认的一个重要过程，在磁主导区的银河系和河外黑洞源。这一过程有助于解决目前的困惑，特别是在这些来源的非常高的能量耀斑发射的起源。在这篇综述中，我们讨论了这种加速机制，并显示最近的分析研究和多维数值SRMHD和GRMHD（特殊和广义相对论磁流体动力学）模拟注入测试粒子，这有助于我们理解这一过程中的相对论射流和这些来源的日冕区域。本文还讨论了重联加速粒子所产生的极高能量和中微子辐射。
2019-03-19 astro-ph.HE
Revisiting the Growth Rate of the Relativistic Tearing Instability: The Role of the Non-ideal MHD Structure
SIT Research Laboratories, Shibaura Institute of Technology（芝浦工业大学 SIT 研究实验室）；Yukawa Institute for Theoretical Physics (YITP), Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所（YITP））；Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理研究所（爱因斯坦研究所））
针对磁主导对等离子体中的相对论撕裂不稳定性，采用外推A近似修正非理想MHD区域的矢势扰动处理，提升了最不稳定波数的预测精度，为相关天体物理研究提供了更新基准。
2026-08-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
2D or not 2D? Exploring 3D relativistic magnetic reconnection dynamics with highly accurate numerical simulations
University of Toronto（多伦多大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Università degli Studi di Torino（都灵大学）；Institut d’Astrophysique de Paris, UMR 7095, CNRS & Sorbonne Université（巴黎天体物理研究所，UMR 7095，法国国家科学研究中心与索邦大学）；Université Paris-Saclay, Université Paris Cité, CEA, CNRS, AIM（巴黎萨克雷大学，巴黎西岱大学，法国原子能和替代能源委员会，法国国家科学研究中心，AIM）；INFN - sezione di Torino（意大利国家核物理研究所都灵分部）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Università degli Studi di Firenze（佛罗伦萨大学）；INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri（意大利国家天体物理研究所阿切尔奇天文台）
该研究通过高精度三维数值模拟，探讨了相对论磁重联过程中三维与二维模拟在磁能耗散效率上的差异，揭示了电流层配置和局部等离子体条件对重联动态的关键影响。
2026-02-09 astro-ph.HE
Multi-species Ion Acceleration in 3D Magnetic Reconnection with Hybrid-kinetic Simulations
本研究通过首个具备足够尺度分离的3D混合模拟，揭示磁重联中碎片化通量绳驱动的费米加速是多物种离子加速的主导机制，解释了不同荷质比离子的加速差异及幂律谱特征，与原位观测结果吻合。
2024-01-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Ohm's Law, the Reconnection Rate, and Energy Conversion in Collisionless Magnetic Reconnection
本综述聚焦无碰撞等离子体，基于第一性原理动力学模拟与星载观测，探讨了广义欧姆定律中非理想电场打破冻结通量条件引发磁重联的机制，重联率的确定方法，以及扩散区能量转换的诊断与建模。
2024-06-02 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Determining the Dominant Acceleration Mechanism during Relativistic Magnetic Reconnection in Large-scale Systems
虽然越来越多的研究表明，相对论性磁重联是高能天体物理系统中粒子加速的一个巨大来源，但主要的加速机制仍然存在争议。使用完全动力学模拟和理论分析相结合，我们表明，费米型加速内的大规模动态电场占主导地位的直接加速从非理想电场内的小尺度扩散区域。这一结果具有深远的影响建模粒子加速在大规模的天体物理问题，因为它开辟了建模的可能性，而不解决微观扩散区的能量谱。
2019-06-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Simulations of particle acceleration beyond the classical synchrotron burnoff limit in magnetic reconnection: An explanation of the Crab flares
人们普遍认为，天体物理源在静止坐标系中不能发射160 MeV以上的同步辐射。该极限由作用在电子上的加速电力和辐射反作用力之间的平衡给出。在蟹状星云中发现的同步加速伽马射线耀斑，远远超过了这个极限，挑战了粒子加速的经典图像。为了克服这个限制，粒子必须在高电场和低磁场的区域中加速。这只有在非理想的磁流体动力学过程中才有可能，比如磁重联。我们提出的第一个数值证据的粒子加速超过同步加速器烧毁限制，使用一组超相对论对等离子体重联的二维粒子在细胞模拟。我们使用一个新的代码，Zeltron，其中包括自洽的辐射反作用力的粒子的运动方程。我们证明，最有活力的粒子来回移动的重联层，以下相对论Speiser轨道。然后，这些粒子在离开该层后，在一个完整旋转的一小部分内迅速辐射>160 MeV的同步辐射。我们的分析表明，高能同步辐射通量是高度可变的时间，因为强大的各向异性和不均匀性的高能粒子。我们发现一个强大的正相关性之间的流量和截止能量的辐射，模仿相对论多普勒放大的效果。强导场抑制了160 MeV以上同步辐射的发射。我们的结果与观测到的蟹状耀斑的性质是一致的，支持重联的情况。
2013-05-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Large-Amplitude Blazar Polarization Angle Swing as a Signature of Magnetic Reconnection
相对论性磁重联事件广泛存在于天体物理系统中的磁化等离子体中。在这个过程中，方向相反的磁场线重新连接并释放磁能，有效地加速非热粒子。然而，到目前为止，在天体物理系统中，相对论性磁重联事件的观测特征还不清楚。耀变体是从超大质量黑洞流出的相对论性磁化等离子体。它们的多波长耀斑可能由相对论性磁重联提供动力。高度可变的辐射和偏振特征被多波长观测活动很好地覆盖，使它们成为检查磁重联模型的理想目标。最近的观测发现，一些耀变体耀斑伴随着光学偏振角摆动，其幅度可能与$> 180^{\circ}$一样大，挑战了现有的理论模型。在本文中，我们提出了集成的粒子在细胞（PIC）和极化辐射传输模拟的磁重联事件。我们发现，在重联层中的等离子体团合并可以引起高度可变的光变曲线，低和波动的偏振度，和旋转的偏振角。特别是，大幅度的偏振角摆动，类似于在耀变体耀斑期间观察到的，可以是相对论性磁重联事件的独特签名。
2018-07-23 astro-ph.HE
Particle acceleration by magnetic reconnection in relativistic jets: the transition from small to large scales
本研究通过MHD-PIC模拟证实，相对论喷流中湍流驱动的磁重联能在各尺度通过背景涨落理想电场将粒子加速至极端超高能，且背景磁场动态变化不影响加速过程。
2023-06-12 astro-ph.HE
Fast reconnection in relativistic plasmas: the magnetohydrodynamics tearing instability revisited
磁主导等离子体中的快速重联经常被用于磁星巨耀斑模型，脉冲星风中的磁耗散，或解释蟹状星云中观测到的伽马射线耀斑，因此它的研究在高能天体物理学中至关重要。在这里，我们研究，通过二维数值模拟，线性相位和随后的非线性演化的撕裂不稳定性的相对论电阻磁流体力学的框架内，适当的情况下，阿尔文速度接近光速。研究发现，不稳定性的线性相位与经典MHD中的分析非常吻合，在经典MHD中，增长率与伦德奎斯特数S成S^-1/2的比例，唯一的例外是由于热能和磁能的贡献而增加的惯性项。此外，当考虑纵横比为S^-1/3的反比的薄电流片时，恢复了所谓的“理想”撕裂状态，模式的增长与S无关，并且非常快，只有几个光穿过片长度的时间。波动的整体增长被认为是完全取决于背景阿尔芬速度的值。在完全非线性阶段，我们观察到一个朝向基模的逆叶栅，Petschek型超声速射流从X点以外部Alfven速度传播，并且在预测值R~（ln S）^-1处有一个快速的重联速率。
2016-05-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The interplay of magnetically-dominated turbulence and magnetic reconnection in producing nonthermal particles
磁化湍流和磁重联常被用来解释从各种天体物理源观测到的非热辐射。通过全动力学二维和三维PIC模拟，我们研究了在磁支配对等离子体中湍流和重联在产生非热粒子过程中的相互作用。一个通用的副产品的湍流演变是一个非热粒子谱的能量范围的幂律的产生。幂律斜率$p$对于更大的磁化强度和更强的湍流波动更难，并且它可以与$p < 2$一样难。在高能截止处粒子的拉莫尔半径与最大涡旋的尺寸$l$相当。类等离子体介导的重联，自洽地发生在湍流等离子体中，控制着粒子注入的物理过程。然后，粒子通过湍流波动的随机散射进一步加速。平行电场所做的功--在重连层中自然是预期的--是初始能量增加的主要原因，并且与系统的磁化强度$σ$成比例，而随后的能量增益，主导了高能粒子的总体能量，是由湍流波动的垂直电场提供动力的。两阶段加速过程在粒子的俯仰角分布中留下印记：低能量粒子与场对齐，而最高能量粒子优先垂直于场移动。随机加速的能量扩散系数按比例缩放为$D_γ\sim 0.1σ(c/l)γ^2$，其中$γ$是粒子洛伦兹因子。这导致快速加速时标$t_{acc}\sim (3/σ)\,l/c$。我们的发现对于理解高能天体物理源中非热粒子的产生具有重要意义。
2019-09-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Numerical models of neutrino and gamma-ray emission from magnetic reconnection in the core of radio-galaxies
在甚高能量（VHE; >100 GeV）制度的非耀变体射电星系发射提供了一个独特的视角探测粒子加速和发射过程中的黑洞（BH）吸积喷流系统。这些源的错位性质表明存在一个发射组件，可能是强子起源，并位于核心区域。在这里，我们考虑湍流磁重联在BH吸积流的射电星系作为一个潜在的机制，宇宙线（CR）的加速和VHE发射。要调查，如果这种情况下是能够占所观察到的VHE数据，我们结合三个数值技术自洽模型的吸积流环境和传播的CR加电磁级联内的吸积流区。在这里，我们将我们的方法应用到无线电星系半人马座A，并发现注入符合磁重联功率的CR部分再现VHE数据，只要吸积流没有实质性的贡献的无线电GeV组件。相关的中微子发射峰值在$\sim10^{16}$ eV，比最小冰立方通量低两个数量级。
2019-03-12 astro-ph.HE
Particle Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Pair Plasma
低β磁主导区等离子体通过磁重联的重联（$β= 8 πnkT_0/B^2 \ll 1$）和/或高磁化（$σ= B^2/(4 πnmc^2) \gg 1$）在太阳耀斑、脉冲星风星云、相对论性黑洞喷流等一系列天体物理系统中具有重要意义。本文综述了这一过程动力学模拟的最新进展，并进一步讨论了由电子-正电子对组成的低$β$重联层中的等离子体动力学和粒子加速。我们还研究了不同的初始热温度对粒子能谱的影响。虽然早期的论文已经得出结论，较高的$σ$的光谱指数较小，我们的模拟表明，光谱指数接近$p=1$足够低的血浆$β$，即使$σ\sim 1$。由于在理想极限下的预测光谱指数比大多数观测结果都要困难，因此考虑可能导致更软光谱的影响（如开边界模拟）是很重要的。我们还注意到，3D重联物理和湍流的重联的影响需要在未来解决。
2016-04-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Ionisation of inner T Tauri star discs: effects of in-situ energetic particles produced by strong magnetic reconnection events
本研究结合粒子截面、传播谱、耀斑观测与 ProDiMo 盘模型，评估金牛 T 型星磁重联产生的原位高能粒子对内盘电离率的增强作用。
2022-10-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Properties of the First-order Fermi acceleration in fast magnetic reconnection driven by turbulence in collisional MHD flows
快速磁重联可能发生在不同的天体物理源中，产生类似耀斑的发射和粒子加速。目前，这个过程正在研究作为一种有效的机制，通过一阶费米过程加速粒子。在这项工作中，我们分析的加速率和能量分布的测试粒子注入三维磁流体动力学（MHD）域与大规模的电流片的重联是快速的湍流的存在。我们研究了粒子加速时间与嵌入湍流相关参数的依赖关系，Alfvén速度$V_{\rm A}$、注入功率$P_{\rm inj}$和比例$k_{\rm inj}$（$k_{\rm inj} = 1/l_{\rm inj}$）。我们发现，加速时间遵循幂律依赖于粒子动能：$t_{acc} \propto E^α$，与$0.2 < α< 0.6$的$c / V_{\rm A} \sim 20 - 1000$的值的巨大范围。加速时间随阿尔文速度（因此也随重联速度）的增加而减小，与预期的一样，具有近似的依赖关系$t_{acc} \propto (V_{\rm A} / c)^{-κ}$，对于达到$1 - 100 \, m_p c^2$之间动能的粒子，分别具有$κ\sim 2.1- 2.4$。此外，我们发现，加速时间仅弱依赖于$P_{\rm inj}$和$l_{\rm inj}$参数的湍流。粒子谱发展了一个高能量的尾巴，它可以在加速的早期由硬幂律拟合，与无碰撞等离子体中磁重联粒子加速的动力学研究结果一致。
2016-09-27 astro-ph.HE
Magnetic Energy Release, Plasma Dynamics, and Particle Acceleration during Relativistic Turbulent Magnetic Reconnection
在强磁化天体物理等离子体系统中，磁重联被认为是一个主要的过程，在此过程中发生爆炸性能量释放和粒子加速，导致显著的高能辐射。相对论性磁重联的动力学模型在过去几年中得到了积极的发展，支持了磁主导的假设。一个较少探讨的问题是3D动力学的后果，其中湍流结构是随着各种类型的不稳定性的发展而自然产生的。本文对正电子-电子等离子体中的相对论湍流磁重联（RTMR）进行了一系列三维、全动力学模拟，系统域远大于动力学尺度。我们的模拟从一个无力的电流片与几种不同的模式的长波长磁场扰动，驱动额外的湍流在重联区。因此，电流层破裂，重联区迅速演变成充满通量绳和电流片等相干结构的湍流层。我们发现RTMR中的等离子体动力学在许多方面与二维等离子体动力学有很大的不同。磁通绳在产生后迅速演化，并且由于二次扭结不稳定性而完全被破坏。这种湍流演化导致了磁场线的超扩散行为，如湍流重联的MHD研究中所见。同时，非热粒子加速和能量释放时间尺度可以非常快，并不强烈地依赖于湍流振幅。主要的加速机制是由运动电场支持的类费米加速过程，而非理想电场加速起次要作用。我们讨论了高能天体物理学中3D RTMR可能的观测意义。
2021-07-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Properties of Reconnection Current Sheets in GRMHD Simulations of Radiatively Inefficient Accretion Flows
非理想MHD效应可能在确定黑洞上的辐射低效吸积流的动力学、热性质和观测特征方面发挥重要作用。特别是，粒子加速在磁重联事件可能会影响黑洞的光谱和耀斑性质。我们使用具有代表性的黑洞吸积流的GRMHD模拟来识别和探索电流片作为磁重联的潜在位置的结构和性质。在标准和正常（SANE）磁盘的情况下，我们发现，在重联网站，等离子体β范围从$0.1$到$1000$，磁化范围从$10^{-4}$到$1$，和导场是弱的重联领域相比。在磁制动（MAD）磁盘，我们发现典型的值为等离子体β从$10^{-2}$到$10^3$，磁化从$10^{-3}$到$10$，通常较强的引导场，强度相当于或大于重连场。这些是决定电子能量分布的关键参数，这些电子能量分布是由磁重联引起的，并且可以在等离子体模拟的背景下用于为全局模拟提供微物理输入。我们还发现，在重联区域有充足的磁能，为从银河系中心黑洞观察到的明亮X射线耀斑的能量提供动力。
2017-05-17 astro-ph.HE
Magnetic reconnection and plasmoid formation in three-dimensional accretion flows around black holes
磁重联被认为是向黑洞附近的等离子体提供能量的主要能量耗散机制之一。事实上，通过磁重联形成的等离子体团可能在来自我们星系中心SgrA* 的黑洞的$γ$射线、X射线和近红外耀斑中发挥关键作用。我们报告的结果三维广义相对论理想和电阻磁流体力学模拟模拟磁重联吸积流周围的天体物理黑洞。作为一个重要的区别与类似的作品，我们的吸积盘有一个初始的偶极磁场配置与交替极性的环。我们表明，电流片的形成和破坏迅速的黑洞吸积的湍流环境。等离子体团是由接近事件视界的电流片形成的，在$\sim2-15$引力半径的区域内。我们进一步量化的磁耗散和能量转移到等离子体团的过程中，报告的重联率，相对于当地的磁场的相对电流密度，和等离子体团的大小。我们发现等离子体团通过重连获得能量，并加热到相对论温度，最大的等离子体团具有足够的能量离开极地附近的黑洞。在它们的演化过程中，等离子体团被拉伸和拉长，当剪切足够大时就会被破坏，尽管有些等离子体团在距离黑洞$\sim30-40$引力半径的距离上仍然存在着明显的结构。最后，我们发现在某些情况下，等离子体团获得了超开普勒的方位角速度，这是最近对Sgr~A* 耀斑的观测所提出的。
2022-05-09 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
The effect of cooling on particle trajectories and acceleration in relativistic magnetic reconnection
160兆电子伏的最大同步加速器烧毁极限代表了一个基本的限制，在一个区域的理想等离子体中的电磁粒子加速辐射。然而，在磁重联中，由于扩散区的电场大于磁场，粒子加速和辐射是解耦的。我们进行了二维粒子模拟，以确定在何种程度上磁重联可以产生同步辐射以上的烧毁限制。我们使用的测试粒子比较（TPC）的方法来隔离冷却的影响，通过比较的轨迹和加速效率的测试粒子入射在这样的重联区域与不冷却它们。我们发现，冷却和未冷却的粒子轨迹通常是相似的，在加速过程中的重联区域，并推导出一个有效的限制粒子加速，这是成反比的平均磁场的粒子在加速过程中所经历的。使用计算的平均磁场的分布作为未冷却的最终粒子能量的函数，我们发现分析冷却不影响幂律粒子的能谱，除了在能量远远高于同步加速器烧毁限制。最后，我们比较了完全冷却和未冷却的重联模拟，确认同步加速器烧毁极限不会产生截止粒子能谱。我们的研究结果表明，TPC方法准确地预测冷却对粒子加速的相对论重联的影响，即使远高于燃尽极限，重联中产生的辐射的同步辐射能量不受冷却的限制。
2016-10-17 astro-ph.HE
Magnetic Reconnection and Hot Spot Formation in Black Hole Accretion Disks
由于电流片中的磁重联而形成的热点或等离子体团，被用来为我们银河系中心的黑洞Sgr A* 频繁的X射线和近红外耀斑提供动力。目前还不清楚黑洞吸积盘中电流片是如何、在何处以及何时形成的。我们进行轴对称广义相对论电阻磁流体力学模拟模型的重联和等离子体团形成的吸积流的范围。电流片和等离子体团是普遍存在的特征，它们的形成与盘中的初始磁场、吸积准稳态阶段的磁化强度以及黑洞的自旋无关。在10史瓦西半径从事件视界，我们观察等离子体团形成，之后，他们可以合并，增长到宏观尺度的顺序的几个史瓦西半径，并最终平流沿射流的鞘或进入磁盘。大的等离子体团通过重连被激发到相对论温度，并有助于喷流的边缘增亮。我们发现，只有热点形成的磁制动盘可以潜在地解释能量的Sgr A* 耀斑。耀斑的周期是由重联率，我们发现在所有情况下，在0.01 c和0.03 c之间，与孤立的哈里斯型电流片重联研究一致。我们量化的磁耗散和非理想的电场，可以有效地注入非热粒子。我们表明，显式电阻率允许收敛的数值解，这样的电磁能量的演化和耗散成为独立的网格尺度的极端分辨率在这里考虑。
2020-09-07 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Particle acceleration and the origin of the very high energy emission around black holes and relativistic jets
由快速磁重联引起的粒子加速可能有助于解决目前与解释活动星系核和致密源的甚高能（VHE）和中微子任务有关的难题。我们对吸积盘-日冕系统的广义相对论-MHD模拟揭示了由MHD不稳定性驱动的湍流的增长，这种不稳定性导致了日冕中快速磁重联的发展。此外，我们对相对论性磁流体射流的模拟揭示了由电流驱动的扭结湍流引起的几个快速重联位点的形成。在这些区域中注入数千个测试粒子会导致加速到几个PeV的能量，从而证明了这个过程加速粒子并产生VHE和中微子发射的能力，特别是在耀变体中。最后，我们讨论了如何重联也可以解释所观察到的VHE光度-黑洞质量相关，涉及数百个非耀变体源，如英仙座A，和黑洞二进制。
2018-09-17 astro-ph.HE hep-ph
Pitch-Angle Anisotropy Imprinted by Relativistic Magnetic Reconnection
本研究通过PIC模拟发现相对论磁重联驱动的粒子加速会产生能量依赖的俯仰角各向异性与拐折幂律，明确其与磁场分量比、轻子磁化强度的关系，并指出其对多种天体物理辐射特性的重要影响。
2023-12-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Beaming of particles and synchrotron radiation in relativistic magnetic reconnection
相对论性重联在许多天体物理系统中被用作粒子加速的机制。根据理想化的分析模型，重联产生了大量的相对论流出出现的重联网站（X点）。因此，产生的辐射是高度集中的。使用二维粒子在细胞（PIC）模拟，我们调查粒子和辐射束，发现一个非常不同的图片。我们发现，在X点上粒子的体运动与它们的洛伦兹因子γ相似，粒子的束流在5/γ以内，而不是在静止坐标系中具有各向同性电子速度分布的相对论平均体运动。在从X点到磁岛的过程中，粒子在磁场中转动，形成一个局限于电流片的扇形。一旦它们到达岛屿，它们在完成一个完整的拉莫尔回转后就各向同性了，它们的辐射不再强烈。给定频率下的辐射图案取决于相应的发射电子辐射其能量的位置。缓慢冷却的低能粒子大部分时间都在岛上度过，它们的辐射并不强烈。只有在X点边缘快速冷却的粒子才会产生高度光束化的扇形辐射图案。从这些快速冷却的粒子中出现的辐射高于燃尽极限（在重新连接等离子体的整个静止框架中约为100 MeV）。这对在该框架中以低得多的能量激发光束的GRB和AGN模型具有重要意义。
2016-07-03 astro-ph.HE
Electron and Proton Acceleration in Trans-Relativistic Magnetic Reconnection: Dependence on Plasma Beta and Magnetization
通过磁重联的非热电子加速被认为在为黑洞周围辐射效率低的吸积流的可变X射线发射提供动力方面起着重要作用。在这种流动中经常遇到磁重联的反相对论区域，其中磁化强度$σ$（定义为磁能密度与焓密度的比值）为$\sim 1$。通过一个大的二维粒子模拟套件，我们调查的电子和质子加速的trans-relativistic制度。我们专注于电子能谱对$σ$和质子$β$的依赖性（即，质子热压力与磁压力之比）。我们发现，在重联区的电子谱是非热的，一般可以模拟为幂律。在$β\lesssim 3 \times 10^{-3}$处，斜率$p$与$β$无关，并且随着$σ$的增加而变硬为$p\simeq 1.8 +0.7/\sqrtσ$。电子主要由X点处的非理想电场加速，所述非理想电场在初始电流层中或在合并磁岛之间产生的电流片中。在较高的$β$值，电子幂律陡峭的所有值的$σ$。当$β$的值接近$β_{\rm max}\approx1/4σ$时，当电子和质子在重联之前都是相对热的时，这两种物质的光谱在高能量下显示出额外的成分，包含百分之几的粒子。这些粒子通过在重联流出物和静止的磁岛之间弹跳而通过类似费米的过程被加速。我们提供了一个经验处方的幂律斜率和加速效率的依赖$β$和$σ$，可用于全球模拟的无碰撞吸积盘。
2018-03-15 astro-ph.HE
Reconnection-controlled decay of magnetohydrodynamic turbulence and the role of invariants
我们提出了一个新的理论图片的磁主导，衰减湍流的情况下，平均磁场。我们证明，这种湍流是由磁结构的重联，而不是由理想的动力学，如先前所假设的。我们得到预测的磁能衰减规律，提出湍流衰变的重联时间尺度，同时尊重守恒的某些积分不变量表示拓扑约束所满足的重联磁场。众所周知，磁螺旋度对于初始螺旋场配置是这样的不变量，但不约束非螺旋衰减，其中体积平均磁螺旋度密度为零。对于这样的衰减，我们提出了一个新的积分不变量，类似于Loitsyansky和萨夫曼不变量的流体动力学湍流，表示保守的随机（缩放为$\mathrm{volume}^{1/2}$）磁螺旋包含在任何足够大的体积。我们的处理导致了对磁能衰减定律的新预测：特别是，当我们期望重连快速时螺旋湍流的规范$t^{-2/3}$幂律时（即，等离子体团为主的或随机的），我们发现一个较浅的$t^{-4/7}$衰减在缓慢的'斯威特帕克'重联制度，在更好的协议与现有的数值模拟。对于非螺旋领域，目前还没有明确的理论，我们预测的$t^{-10/9}$和$t^{-20/17}$的快速和缓慢的重联制度，分别幂律。我们制定了一个一般原则的湍流系统的衰减受到保存的Saffman一样的不变量，并提出它如何可能被应用到MHD湍流与强平均磁场和各向同性MHD湍流与初始均分之间的磁场和动能。
2021-09-02 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Energy Extraction from a Kerr Black Hole via Magnetic Reconnection within the Plunging Region
本研究分析Kerr黑洞内落区磁重联的能量提取，推导磁场结构与等离子体团能量，发现存在自旋临界值，近极端黑洞效率最高，并给出有效参数空间。
2024-11-07 astro-ph.HE gr-qc
The formation of rings and gaps in magnetically coupled disk-wind systems: ambipolar diffusion and reconnection
星周盘的径向亚结构现在是ALMA的常规观测。还有越来越多的证据表明，盘风驱动吸积在这样的磁盘。我们通过二维（轴对称）模拟表明，环和间隙自然发展的磁耦合盘风系统的规模上的几十个AU，双极扩散（AD）是占主导地位的非理想MHD效应。在磁场和物质适度耦合的模拟中，圆盘保持相对层流，径向电流通过AD变陡到中平面附近的薄层中。环形磁场在该层中急剧反转极性，产生驱动快速吸积的大的磁力矩，其将极向场拖曳成高度箍缩的径向配置。这种收缩场的重连产生了磁环，其中净极向磁通量（以及吸积率）减少，产生致密环。具有较强极向磁场的邻近区域吸积得更快，形成间隙。在更好的磁耦合模拟中，所谓的“雪崩吸积流”在盘表面附近不断发展，使盘风系统更加混乱。然而，突出的环和间隙仍然产生，至少部分地，通过重连，这再次使得极向场和盘材料的分离类似于更扩散的盘。然而，重新连接现在由MRI通道流的非线性增长驱动。在快速吸积的层流盘中形成的环和间隙对尘埃沉降和捕获、颗粒生长和行星形成有着有趣的意义。
2018-03-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle-in-Cell Simulations of Relativistic Magnetic Reconnection with Advanced Maxwell Solver Algorithms
本研究利用GPU加速的WarpX代码，对比CKC、PSATD两种先进麦克斯韦求解器与标准Yee法在相对论磁重联PIC模拟中的表现，验证了精度并分析了性能差异，为相关数值模拟的算法选择与优化提供参考。
2023-04-20 astro-ph.HE cs.CE
