Pair-beam propagation in a magnetised plasma for modelling the polarized radiation emission from gamma-ray bursts in laboratory astrophysics experiments
本文研究了相对论性电子-正电子束在磁化电子-离子等离子体中的传输，着重研究了这种情况下产生的辐射的偏振。特别强调的是放在调查的极化所产生的辐射的范围内的束等离子体参数，横向和纵向的光束尺寸，和外部磁场。我们的研究结果不仅有助于理解在伽马射线暴中观察到的高度圆偏振，而且还有助于区分实验室天体物理实验中与成对光束的平行动力学相关的不同模式。
2020-06-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Temperature-dependent Saturation of Weibel-type Instabilities in Counter-streaming Plasmas
我们提出了第一个2X2 V连续Vlasov-Maxwell模拟的互穿，非磁化等离子体，研究两个流，斜，和双折射模式之间的竞争在弱相对论制度。我们发现，后非线性饱和的最快增长的双流和斜模式，有效的温度各向异性，驱动电流丝形成通过长期的韦伯不稳定性，有很强的依赖于逆流等离子体的内部温度。有效的温度各向异性是显着减少在较冷的等离子体比在较热的，导致数量级较低的磁化较冷的等离子体。韦伯型不稳定性的能量转换效率对内部束流温度的强烈依赖关系，对确定它们对许多天体物理和实验室等离子体观测到的磁化的贡献具有影响。
2019-02-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electrostatic and magnetic instabilities in the transition layer of a collisionless weakly relativistic pair shock
天体物理喷流的高能电磁辐射，如大质量恒星坍缩时发射的并触发伽马射线暴（GRB）的喷流，部分归因于相对论性内部冲击。激波是由逆流粒子束的不稳定性在无碰撞等离子体中介导的。只有当光束以相对论性的相对速度运动时，才能产生最快的位移不稳定性。在这里，我们用粒子单元（PIC）模拟两个冷对云在c/2（c：光速）速度下的碰撞。我们证明了双流不稳定性超过了这个速度的平行不稳定性，从而负责激波的形成。上游等离子体的准静电波的不完全热化允许其他不稳定性的增长。激波过渡层的形成，其中一个平行不稳定性调制的等离子体远上游的冲击。上游流入的等离子体逐渐加热的双流不稳定性更接近的冲击和压缩到预期的下游密度的韦伯不稳定性。由于后者产生的强磁场被限制在10个电子趋肤深度宽的层内。
2017-09-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Interaction of Ultra Relativistic e- e+ Fireball Beam with Plasma
对即将出现的相对论正负电子束或火球束在等离子体中的传播进行从头计算模拟，为研究与天体物理有关的微观物理提供了一种有效的手段。我们发现，在一个密度为10^17/cc的典型实验室等离子体中，与上述某些情况相关的电流扩散不稳定性在传播10 cm后就达到饱和。通过改变背景等离子体密度，可以获得从纯横模到混合模的不稳定性的不同区域。这种不稳定性会产生大的局部等离子体梯度、强烈的横向磁场和增强的辐射发射。我们认为，这些影响可能是第一次观察到实验。
2018-09-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiation Spectral Synthesis of Relativistic Filamentation
来自许多天体物理源的辐射，例如伽马射线暴和活动星系核，被认为是来自相对论冲击的无碰撞等离子体。与源寿命相比，这样的源通常表现出快速演变的高度瞬态谱。从这些源发射的辐射通常与非线性等离子体物理、复杂场拓扑和非热粒子分布相关联。在这种情况下，一个标准的同步加速器范例可能无法产生关于基本物理的准确结论。在各种相对论激波情景中数值模拟光谱发射和光谱演化是确定发射光谱的详细物理起源的唯一可行方法。在这封信中，我们提出的合成辐射光谱表示的早期发展的初始未磁化等离子体的对流（流）不稳定性，这是相关的无碰撞冲击波的形成和重联动力学在相对论天体物理流出，以及实验室天体物理实验。结果得到了使用一个高效的“原位”诊断方法，基于详细的粒子在细胞无碰撞等离子体建模。这里得到的合成光谱进行了比较与预测的半解析模型的抖动辐射的双折射不稳定性，后者包括自洽生成的场拓扑结构和粒子分布从这里报道的模拟。光谱表现出依赖于惰性等离子体成分的存在或不存在，当比较重子等离子体（即含有质子）与对等离子体。结果还表明，在使用低维模型来获得有关产生观测光谱的天体物理现象的信息时，应相当小心。
2010-09-13 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Magnetized Current Filaments as a Source of Circularly Polarized Light
我们表明，韦伯或电流不稳定性可以导致圆偏振辐射的发射。使用粒子在细胞（PIC）模拟和辐射后处理的数值算法，我们证明了圆极化的水平增加与初始等离子体磁化强度，饱和在~13%时的磁化强度，由磁能密度的比例，以电子动能密度，大于0.05。此外，我们表明，这种效果需要一个离子电子质量比大于1。这些研究结果，这也可以在目前可用的实验室条件下进行测试，表明最近观察到的圆极化的伽马射线暴余辉可能是由于存在磁化电流丝驱动的韦伯或电流偏转不稳定性。
2018-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Generation of Large-scale Magnetic Fields Upstream of Gamma-Ray Burst Afterglow Shocks
本研究通过二维粒子模拟探究伽马射线暴余辉激波上游的磁场起源，发现持续注入的电子-正电子对经类丝状不稳定性驱动大尺度磁场增长，其演化具自相似性，外推结果可解释暴后大尺度磁场的持续存在。
2025-06-11 astro-ph.HE
Radiation from Particles Accelerated in Relativistic Jet Shocks and Shear-flows
本文研究了非磁化相对论性喷流等离子体传播到非磁化环境等离子体中的激波和剪切流引起的粒子加速和发射。射流激波中产生的强电磁磁场是通过扰动（韦伯）不稳定性产生的。冲击场强度和结构取决于等离子体成分（（$e^{\pm}$或$e^-$ - $p^+$等离子体）和洛伦兹因子。在喷流与周围等离子体的速度剪切中，通过动力学Kelvin-Helmholtz不稳定性（kKHI）产生了强的交流（$e^{\pm}$等离子体）或直流（$e^-$ - $p^+$等离子体）磁场，磁场结构也依赖于喷流洛伦兹因子。我们自洽地计算了在冲击波产生的磁场中加速的电子的辐射。光谱取决于射流的初始洛伦兹因子和温度，通过所产生的粒子加速和磁场产生。我们正在进行的“全球”喷流模拟包含冲击和速度剪切，将为我们提供计算和模拟复杂的时间演化和/或从伽马射线暴，活动星系核喷流和超新星遗迹观察到的光谱结构的能力。
2014-12-22 astro-ph.HE
Stimulated-emission based model of fast radio bursts
快速射电暴（FRB）是一种明亮的、持续时间短的射电瞬变现象，具有很高的亮度温度，意味着高度相干的发射。我们认为FRB是由电子束与周围等离子体相互作用的自聚焦引起的，该等离子体正好超出中子星的光柱半径。轻圆柱半径处的磁场相对较高，可以容纳年轻的Crab类系统和老的毫秒级系统，以解决FRB的不同环境。在第一阶段，强脉冲束穿过背景等离子体引起不稳定性，使得局部布尼曼型空穴中的捕获粒子饱和局部场。然后，由于双流不稳定性产生的圆形电场，导致光束在横向方向上的韦伯不稳定性，从而使光束径向自聚焦。最后，由于等离子体团不稳定性，韦伯不稳定性的非线性饱和导致孤子的自调制形成。共振孤立波是相对论粒子自激振荡的呼吸子型孤子。非线性色散和孤立子的解析解表明，在电流片附近，由于感应局部电场的自激振荡，相对论聚束被类速调管结构加速/放大。增强的相干射电辐射通过一个窄锥传播，由于径向电场和磁箍缩而具有强聚焦。孤子的非线性演化和受激发射与Buneman不稳定性有关，并研究了FRB中存在纳秒脉冲的可能性。
2020-03-10 astro-ph.HE
Induced Scattering of Fast Radio Bursts in Magnetar Magnetospheres
Kyoto University（京都大学）；Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所）
研究磁星磁osphere中快速射电暴的诱导散射机制，发现磁场抑制散射但使其进入线性增长阶段，密度临界值决定散射是否发生，从而解释FRB的多样性。
2026-09-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Saturation Level of Ion Weibel Instability and Isotropization Length Scale in Electron-Ion Weibel-Mediated Shocks
本研究通过理论和粒子模拟，揭示电子物理决定离子韦伯不稳定性产生的磁场饱和水平，并建立各向同性化长度模型，发现电子加热对超相对论激波形成至关重要，而典型星际介质中的非相对论激波并非纯韦伯介导。
2024-05-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Blazars and Fast Radio Bursts with LSST
本白皮书的目的是讨论LSST Wide-Fast-Deep的观测策略，这将改善blazars（发射变化，普查，环境）和快速射电暴（FRB）的研究。对于耀变体，这些措施包括：i）参考滤波器，以允许重建不受颜色变化影响的良好采样的光变曲线; ii）具有不同曝光时间的两个快照/访问，以避免在耀斑状态期间饱和; iii）滚动节奏，以至少在某些时间间隔内获得更好的采样光变曲线。我们还讨论了机会目标（ToO）观测耀变体中微子源的潜在重要性，以及具有星迹节奏的小型巡天的优势（见David Thomas等人的白皮书）。对于blazar科学和可能的FRB的非常快的光学对应物的检测。
2018-12-07 astro-ph.HE astro-ph.IM
Quasi-nonlinear approach to the Weibel instability
天体物理学和高能量密度实验室等离子体通常具有由各种动力学流或各向异性驱动的不稳定性激发的大振幅，亚拉莫尔尺度的电磁波动。韦伯不稳定性是特别重要的，因为它可以迅速产生强磁场，即使在没有种子场的情况下。粒子在具有这种小尺度磁场的无碰撞等离子体中传播时，会发生类似于库仑碰撞的随机偏转，磁俯仰角扩散系数代表有效的“碰撞”频率。我们发现，这种效果的等离子体的“准碰撞”可以强烈影响的增长率和发展的韦伯不稳定性的深度非线性制度。这一结果对于理解伽马射线暴或超新星的无碰撞激波上游区域中宇宙射线驱动的湍流特别重要。我们证明，在上游产生的领域所造成的准碰撞抑制不稳定性略有下降，但永远不能完全关闭它。这证实了无碰撞前震自相似模型中的假设。
2017-05-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Fast Radio Burst Luminosity Function and Death Line in the Low-Twist Magnetar Model
我们探索了Wadiasingh和Rakhkhin（2019）的低扭曲磁星模型中快速射电暴（FRB）的爆发能量分布。FRB 121102的幂律注量分布的启发，我们提出了一个基本模型的FRB光度函数的个别中继器的反演协议，直接涉及的幂律分布指数的磁星短爆发注量的FRB。该协议表明，FRB的能量尺度几乎与地壳/场位错振幅线性，如果磁星短爆发占上风的磁弹性制度。单个中继器在爆发期间（WT 19中要求）磁层中的电荷饥饿意味着预测的爆发注量分布很窄，产生磁星壳中可行的应变和振荡频率需要$\lesssim 3$几十年。需要磁约束和电荷饥饿，我们得到了FRB的死亡线，从正常的脉冲星人口隔离磁星，这表明只有前者将主机经常性FRB。我们卷积个别磁星的爆发能量分布，以定义在演化磁星种群的光度分布。打破幂律的光度函数的低能量特征取决于人口模型，而高能量指数跟踪的个人重复。独立的演化人口，打破幂律各向同性等效能量/光度函数峰值在$\sim10^{37}-10^{40}$尔格与低能量截止在$\sim 10^{37}$尔格。最后，我们考虑了FRB的局部注量分布，发现它可以约束产生FRB的磁星祖先的子集。我们的模型表明，灵敏度的提高可能揭示了全球FRB通量分布的平坦化和FRB速率的饱和。
2020-01-17 astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic field amplification and electron acceleration to near-energy equipartition with ions by a mildly relativistic quasi-parallel plasma protoshock
伽马射线暴的瞬发辐射是由辐射的超相对论电子产生的。内部冲击波通过恒星内爆产生的喷流传播，预计会放大磁场并加速电子。我们探讨了密度不对称性&准平行磁场对等离子体云碰撞的影响。二维相对论PIC模拟模拟了在准平行磁场存在下两个等离子体云的碰撞。云密度比为10。在每个云中，离子和电子的密度以及131 keV的温度是相等的。质量比为250。确定了电子的峰值洛伦兹因子，以及云碰撞边界处的磁场的方向和强度。与初始等离子体流动方向正交的磁场分量被放大到超过冲击压缩预期的值一个数量级。由于这种放大，形成的冲击是准垂直的，这是由响应于入射的上游电子和离子的不同偏转而产生的电流片引起的。电子偏转意味着上游电子和离子的电荷分离;产生的电场将电子拖过磁场，于是它们获得了与离子相当的相对论质量。我们演示了如何磁场结构类似的截面的通量管增长的冲击过渡层的电流片。产生等离子体增强，以及正交磁场条纹的特征。局部磁泡形成。在激波过渡层得到了离子、电子和磁能的能量均分。电子辐射可以提供种子光子群，该种子光子群可以通过次级过程（例如，逆康普顿）被激励。
2010-10-06 astro-ph.HE
Fast Radio Bursts from Induced Upscattering. I. Magnetar Polar Fireballs
Center for Gravitational Physics and Quantum Information, Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所引力波与量子信息研究中心）；The Hong Kong Institute for Astronomy and Astrophysics, The University of Hong Kong（香港大学香港天文及天体物理研究所）；Department of Physics, The University of Hong Kong（香港大学物理学系）
本文提出磁星极区火球中受激康普顿上散射产生快速射电暴的模型，推导光度与带宽关系，解释银河系FRB 20200428并预测重复暴趋势。
2026-09-30 astro-ph.HE 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
On electromagnetic instabilities at ultra-relativistic shock waves
本文讨论了相对论激波前兆通过微观不稳定性产生磁场的问题。上游等离子体的磁化水平是一个关键参数，特别是因为冲击前兆的长度尺度受到背景磁场中加速粒子的拉莫尔旋转和冲击波速度的限制。本文详细讨论和计算了由加速粒子和反射粒子布居所引起的下列束等离子体不稳定性的增长率：对于非磁化激波，韦伯不稳定性和折射不稳定性，以及切伦科夫共振纵模和斜模;对于磁化激波，具有纵向静电模的韦伯不稳定性和共振切伦科夫不稳定性，以及阿尔芬不稳定性，耳语和非凡模式。所有这些不稳定性都是在上游产生的，然后它们被传递到下游。由切伦科夫共振不稳定性激发的模式对于下游介质的磁化具有特别重要的意义，因为作为等离子体本征模式，它们具有比韦伯模式更长的寿命。我们讨论的主要限制波的增长与长度的前体和上游介质的磁化倾斜和平行的冲击波。我们还刻画了获得费米加速的适当条件。我们恢复了最近的粒子模拟的一些结果，并得出结论与天体物理的情况下，特别是脉冲星风和伽马射线暴外部冲击波的一些应用。（节录）
2009-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Field Amplification and Particle Acceleration in Weakly Magnetized Trans-relativistic Electron-ion Shocks
Columbia University（哥伦比亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
研究弱磁化跨相对论电子-离子冲击中磁场放大与粒子加速机制，发现不同不稳定性主导下非热离子和电子的加速效率及能量标度差异。
2026-02-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Multidimensional simulations of magnetic field amplification and electron acceleration to near-energy equipartition with ions by a mildly relativistic quasi-parallel plasma collision
在伽马射线暴的瞬发相期间观测到的高能电磁爆发归因于同步辐射。内部冲击运动通过超相对论喷流，这是由一个坍缩的超大质量恒星喷出，是这种辐射的可能来源。同步辐射的观测强度需要同时存在强大的磁场和高度相对论性的电子。我们探索与一维和三维的相对论粒子模拟的过渡层的冲击波，这演变出的碰撞的两个等离子体云在0.9 c的速度和准平行的磁场的存在。云的密度相差10倍。质量比为250的各云中的离子和电子的数密度相等。在一维模拟中确定了电子的峰值洛伦兹因子，以及两个碰撞云边界处的磁场的方向和强度。激波过渡层附近的电子和离子的相对论质量与以前的工作相当。三维模拟显示了瞬态前体后面快速而强烈的等离子体增强。正交于初始场方向的磁场分量在两个模拟中被放大到超过冲击压缩预期的值一个数量级。由于这种放大，形成的激波是准垂直的。同时存在的高度相对论性的电子和强磁场将引起显着的同步辐射。
2010-11-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative cooling induced coherent maser emission in relativistic plasmas
本文通过从头算高分辨率动理学模拟，首次揭示强磁化介质中经历同步辐射冷却的相对论性等离子体可经由电子回旋脉泽不稳定性自发产生相干线偏振辐射，且辐射损失延长了相干放大持续时间，为脉冲星发射和快速射电暴等天文现象提供了新解释。
2024-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration by relativistic magnetic reconnection driven by kink instability turbulence in Poynting flux dominated jets
磁化相对论性喷流中的粒子加速仍然困扰着理论家，特别是当人们试图解释在blazar喷流或伽马射线暴中观察到的高度可变的发射时，这给当前的模型带来了严重的限制。在这项工作中，我们研究了粒子的加速注入到三维相对论磁流体射流受到电流驱动扭结不稳定性（CDKI），驱动湍流和快速磁重联。测试质子注入在几乎静止的射流快照，经历指数加速到最大能量。对于$B \sim 0.1$ G的背景磁场，该饱和能量为$\sim 10^{16}$ eV，而对于$B \sim 10$ G，其为$\sim 10^{18}$ eV。模拟还揭示了加速粒子与快速重联区域的明确关联。在射流中CDKI的非线性增长发展的早期阶段，当仍然没有快速重联的位点时，注入的粒子也被有效地加速，但是通过摆动的射流脊柱中的磁曲率漂移。然而，它们必须以远大于粒子在重联点加速所需的初始能量注入。最后，我们还从模拟中获得了由于重连而引起的加速时间，该加速时间对粒子能量$E$，$t_A \propto E^{0.1}$具有弱依赖性。加速粒子的能谱在加速开始时发展出一个高能量尾，其幂律指数为$p \sim$ -1.2，与早期的工作一致。我们的研究结果提供了一个适当的多维框架，探索这一过程中的实际系统，并解释其复杂的发射模式，特别是在非常高的能带和相关的中微子发射最近在一些耀变体中检测到。
2020-12-27 astro-ph.HE
Magnetic field amplification by a plasma cavitation instability in relativistic shock precursors
等离子体流不稳定性在相对论激波及其环境中的磁场放大和粒子加速中起着重要作用。然而，在远冲击波前体区域，加速粒子构成一个高度相对论性和稀释束，流不稳定性通常变得效率低下，并在非常小的规模相比，束粒子的回旋半径。我们报告的等离子体空化不稳定性，是由稀相对论性光束驱动，可以增加两个数量级的磁场强度和相干尺度达到近均分值与光束能量密度。这种不稳定性的增长后，发展的韦伯不稳定性，并与背景轻子和离子的束流的非对称响应。所得到的净感应电场驱动带正电和带负电的射束种类之间的强能量不对称性。大规模的粒子在细胞中的模拟被用来验证分析预测的增长和饱和度的不稳定性，并表明它是强大的，在广泛的条件下，包括那些与成对加载等离子体。这些结果可以有重要的影响的磁化强度和结构的冲击在伽马射线暴，更普遍的磁场放大和非对称散射的相对论性带电粒子在等离子体天体物理环境。
2022-01-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Induced Scattering of Strong Waves in Pair Plasmas
Graduate School of System Informatics, Kobe University（神户大学系统信息研究科）；Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所）
研究强电磁波在反物质等离子体中的诱导散射，揭示非线性特性由非线性参数a0ωpe/ω0决定，通过粒子-网格模拟显示线性分析在a0>1时仍适用，散射饱和由波能与等离子体能比控制。
2026-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Solar plasma radio emission in the presence of imbalanced turbulence of kinetic-scale Alfvén waves
本文研究了在等离子体/磁压力比$β$小于电子/离子质量比$m_{e}/m_{i}$的日冕区域中，动力学尺度的Alfvénic湍流对等离子体射电辐射产生的影响。本研究的动机是与活动区强磁场有关的太阳I型射电暴现象。对于连续辐射，I型暴的亮温可达$10^{10}$ K，对于I型暴，亮温可超过$10^{11}$ K。目前，还没有一个公认的理论来解释I型风暴如此高的亮度温度和其他一些性质。我们提出的模型与不平衡湍流的动力学尺度阿尔文波产生一个不对称的准线性平台上的电子速度分布的上半部分。朗缪尔共振波的朗道阻尼被抑制，其振幅在热能级以上自发增长。估计的朗缪尔波的饱和水平足够高，以产生观察到的I型无线电发射的基本等离子体频率。在我们的模型中没有出现谐波发射，因为向后传播的朗缪尔波经历了很强的朗道阻尼。我们的模型预测$100\%$极化的意义上的普通（O-）模式的I型发射。
2017-07-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of electron-positron cyclotron maser forming pulsar radio zebras
本研究通过电子-正电子回旋脉泽的PIC模拟，发现脉冲星射电斑马纹对应单一XZ模，由两个伯恩斯坦模聚合产生，估算的辐射流量可解释蟹状星云脉冲星的相关观测特征。
2024-01-30 astro-ph.HE physics.plasm-ph
