Heuristic Description of Perpendicular Diffusion of Energetic Particles in Astrophysical Plasmas
提出了一种求解高能粒子无碰撞垂直扩散问题的启发式方法。推导出相应扩散系数的解析形式。这里提出的启发式方法解释了在以前的理论中使用的参数$a^2$，以实现与模拟及其与无碰撞Rechester和Rosenbluth扩散的关系。所获得的结果是高度相关的应用，因为以前使用的公式在某些情况下显着改变。
2019-08-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Effect of Large Scale Magnetic Turbulence on the Acceleration of Electrons by Perpendicular Collisionless Shocks
我们研究了在无碰撞冲击下电子加速的物理学，这些冲击通过包含大尺度磁波动的等离子体移动。我们数值积分的大量的电子，这被视为测试粒子移动的时间相关的电场和磁场从2-D混合模拟（动力学离子，流体电子）的轨迹。大规模的磁波动以多种方式影响电子，并导致在冲击波前沿有效和快速的电子振荡。由于电子主要沿着磁力线运动，空间中磁力线的大规模编织允许快速移动的电子多次穿过冲击波阵面，从而实现有效的加速。冲击波阵面中的各种尺度的波纹也将通过镜像电子而有助于加速。我们的计算表明，这一过程有利于电子加速在垂直冲击。本文的研究也有助于理解无碰撞冲击加速电子的注入问题。它还表明，高能电子的空间分布是类似的原位观测（例如，Bale等人，1999年; Simnett等人，2005年）。这一过程可能对我们理解行星弓形激波和行星际激波中的高能电子以及解释某些II型太阳射电爆发中的人字形结构很重要。
2010-10-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Microinstabilities at perpendicular collisionless shocks: A comparison of full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用全粒子模拟方法研究了垂直无碰撞激波阵面处产生的微观不稳定性。冲击波的结构和动力学由阿尔芬马赫数和等离子体β决定，而微不稳定性由上游体速度与电子热速度和等离子体与回旋频率的比率控制。因此，微不稳定性的增长率的离子-电子质量比的变化，即使在相同的马赫数和等离子体β。二维模拟结果表明，在较低的质量比下，电子回旋漂移不稳定性占主导地位，并激发出静电电子回旋谐波。当质量比较大时，修正双流不稳定性占主导地位，并激发斜电磁哨声波，通过修正激波磁场影响无碰撞激波的结构和动力学.
2012-04-10 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
Quasi-perpendicular fast magnetosonic shock with wave precursor in collisionless plasma
一个一维的粒子在细胞（PIC）模拟跟踪一个快速的磁声冲击在时间尺度上的逆离子回旋频率。磁压力与上游的热压力相当。冲击波以电磁极限中快磁音速的1.5倍的速度传播穿过均匀背景磁场，其压力等于角度为85 $^\circ$的上游热压力。静电对波色散的贡献在大波数下增加了其相速度，这导致凸色散曲线。在激波之前形成一个快磁声前兆，其相速度超过快磁声速度约$\sim 30 \%$。波比冲击慢，因此被阻尼。
2018-05-07 physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field for collisionless shocks in pair plasmas: the perpendicular case
在没有频繁的二元碰撞等离子体各向同性，磁流体动力学（MHD）的朗肯-Hugoniot跳跃条件的实现无碰撞冲击是不平凡的。特别是，外部磁场的存在可以允许稳定的各向异性，这意味着一些偏离各向同性MHD跳跃。这种各向异性在磁场方面的函数依赖性尚待确定。通过假设等离子体通过冲击波阵面的动力学历史，我们最近设计了一种下游各向异性的理论，因此在平行冲击的场强方面存在密度跳跃[J. Plasma Phys.（2018），vol. 84，905840604]。这里，我们将分析扩展到垂直激波的情况。我们仍然发现，该领域减少了密度跳跃，但效果是不太明显，比在平行的情况下。
2019-05-20 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Cross-scale coupling at a perpendicular collisionless shock
对一个具有较低Alfven马赫数（M_A=5）的垂直无碰撞激波进行了全粒子模拟研究。在本研究中，我们进行了二维（2D）电磁全粒子模拟与“休克休息框架模型”。模拟域被取为大于离子惯性长度，以便包括电子和离子的全部动力学。模拟结果证实了激波结构由周期性的自重整向准稳态激波阵面的转变。在过渡期间，电子和离子在平行于冲击磁场的方向上被热化。离子被激波根部强离子温度各向异性激发的低频电磁波（或波纹结构）热化，而电子被激波过冲处电子温度各向异性激发的高频电磁波（或哨声模式波）热化。在电子平行温度变得高于离子平行温度的冲击过冲处也激发离子声波。我们预计，离子声波是负责电子和离子的平行扩散，和一个离子尺度的介观不稳定性和电子尺度的微观不稳定性之间的跨尺度耦合是很重要的结构和动力学的无碰撞垂直冲击。
2011-04-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field strength for perpendicular collisionless shocks with anisotropic upstream pressure
本文通过假设垂直流动方向温度在激波波阵面守恒来封闭 MHD 方程组，研究了上游压力各向异性垂直无碰撞激波的密度跳跃随磁场强度的变化，揭示了 MHD 无法描述的丰富行为，并与平行激波情形进行了比较。
2023-06-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Microstructure in two- and three-dimensional hybrid simulations of perpendicular collisionless shocks
超临界无碰撞垂直冲击具有主要由在磁斜坡处镜面反射的离子的动力学确定的平均宏观结构。在整个宏观结构中，线性和非线性的不稳定性产生波动和微观结构。为了确定这种微结构的来源，高分辨率的二维和三维模拟已经进行了使用的混合方法，其中的离子被视为粒子和电子响应建模为无质量的流体。我们证实了早期的2-D模拟结果，显示了场平行对齐的传播波动和波动进行的反射回转离子。此外，它示出，对于2-D模拟的冲击共面平面，在所有的磁性组件中的短波长波动的存在与离子韦伯不稳定性驱动的脚的上游边缘由反射回转离子。在3-D模拟中，我们第一次表明，占主导地位的微观结构是由于场平行的传播波动的斜坡和反射离子的运动之间的耦合。这导致了一种以与磁场方向倾斜的角度在激波表面反向传播的波动模式，这是由于斜坡的阿尔文速度下的场平行运动和反射离子的回转运动的组合。
2016-01-07 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
On the role of magnetosonic solitons in perpendicular collisionless shock reformation
通过一维粒子模拟研究了冲击压缩研究中离子镜面反射引起的磁结构的本质。这种磁结构的传播速度，场分布和支持电流示出是一致的磁声孤子。巧合的是，这种结构及其演化是在垂直激波重组中观察到的典型足结构。为了调和这两个观察，我们提出，第一次，冲击重组可以解释为磁声孤子的形成，增长和随后的过渡到超临界冲击的结果。这一论点进一步支持了显着的协议之间发现的孤子演化周期和经典的改革结果。这一新的结果表明，孤子的独特性质可以用来阐明长期存在的问题，激波非平稳性及其对粒子加速的作用。
2017-02-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonthermal Electron Acceleration at Collisionless Quasi-perpendicular Shocks
冲击波在无碰撞的日光层和天体物理等离子体中的传播已经被广泛研究了几十年。一个主要的动机是了解冲击时的非热粒子加速。虽然扩散激波加速（DSA）理论长期以来一直是宇宙射线在激波加速的标准，粒子加速的等离子体物理理解仍然难以捉摸。本文综述了近几年来在准垂直冲击下电子非热加速机制的研究进展。本评论中的讨论仅限于以下三个具体主题。第一种是随机冲击漂移加速（SSDA），这是一种相对较新的电子注入DSA的机制。本文将讨论其基本机制、相关的现场观测和动力学模拟结果，以及它与DSA的联系。其次，我们讨论了与年轻超新星遗迹（SNRs）有关的高马赫数激波的激波冲浪加速（SSA）。虽然一维假设下的原始建议是不现实的，SSA现在已被证明是有效的一个完全三维的动力学模拟。最后，我们讨论了目前的理解磁化韦伯主导的冲击。激波结构内自生电流片的自发磁重联是韦伯产生的强磁湍流的有趣结果。我们认为，高马赫数冲击与阿尔芬和声音马赫数超过20-40将可能表现为韦伯主导的冲击。尽管最近有一些有趣的发现，SSDA，SSA，和磁重联的电子加速在无碰撞冲击的相对作用，以及如何占主导地位的粒子加速机制的变化取决于冲击参数仍然有待回答。
2022-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Laboratory-scale Perpendicular Collisionless Shock Generation and Ion Acceleration in Magnetized Head-on Colliding Plasmas
该研究通过大规模粒子网格模拟，在实验室尺度磁化对头碰撞等离子体中实现了垂直无碰撞激波的产生，观察到约四倍密度跃升、磁场放大30倍及离子幂律加速，为天体物理磁场放大与激波粒子加速提供了直接联系。
2024-05-23 physics.plasm-ph
Mach Number Dependence of Ion-scale Kinetic Instability at Collisionless Perpendicular Shock: Condition for Weibel-dominated Shock
本文采用线性理论和非线性粒子模拟方法研究了无碰撞激波下离子尺度动力学等离子体不稳定性。我们专注于阿尔文离子回旋（AIC），镜子，和韦伯不稳定性，这都是驱动不稳定的有效温度各向异性诱导的冲击反射离子在过渡层内的严格垂直冲击。我们进行线性色散分析与均匀等离子体模型来模拟激波过渡层，采用环形分布与有限的热扩散来代表反射离子的速度分布。我们发现，对于平行于环境磁场的波传播，在较低的阿尔文马赫数的AIC不稳定性倾向于过渡到韦伯不稳定性在较高的阿尔文马赫数。然而，不稳定性也强烈地受到声马赫数的影响。我们的结论是，在阿尔文和声音马赫数都超过$\sim 20{\rm -}40$的强激波的不稳定性可以被认为是韦伯的意义上，反射离子的行为基本上未磁化。二维PIC模拟证实了线性理论，并发现，与典型的年轻超新星遗迹冲击参数，环分布模型产生的背景磁场，这是小于以前的PIC模拟中观察到的韦伯为主的冲击的顺序的磁波动。这表明，回旋反射离子分布的假设可能不足以定量预测高马赫数冲击的动力学的非线性行为。
2021-07-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonrelativistic collisionless shocks in weakly magnetized electron--ion plasmas: two-dimensional particle-in-cell simulation of perpendicular shock
本文采用二维粒子模拟方法研究了磁化参数为6 x 10^-5的弱磁化垂直激波，该参数相当于约130的高Alfvén马赫数M_A。它表明，电流丝形成在脚区的冲击，由于离子束-韦伯不稳定性（或离子扩散不稳定性），并产生一个强大的磁场。在下游区域中，这些电流丝还产生通常比上游磁场强15倍的缠结磁场。下游区电子和离子的热能不均分，温度比T_e / T_i ~ 0.3 - 0.4。在我们的模拟中没有观察到有效的电子加速，尽管一小部分离子在冲击反射时略有加速。模拟结果与Rankine-Hugoniot关系吻合得很好。它还表明，电子和离子被加热的底部区域的布尼曼不稳定性（电子）和离子声不稳定性（电子和离子）。然而，由于反射离子的相对高的温度，布尼曼不稳定性的增长率显著降低。出于同样的原因，离子-离子流不稳定性不会在足部区域增长。
2010-08-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Dynamics and microinstabilities at perpendicular collisionless shock: A comparison of large-scale two-dimensional full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用大规模二维全粒子模拟方法研究了垂直激波动力学与激波根部微不稳定性之间的关系。无碰撞激波的结构和动力学通常由阿尔芬马赫数和等离子体β决定，而激波根部的微不稳定性则由上游体速度与电子热速度之比以及等离子体与回旋频率之比控制。在阿尔芬马赫数和等离子体β固定的情况下，给出了上游体速度与电子热速度之比作为离子与电子质量比的函数。本文在较低的Alfven马赫数（M_A~6）下进行的二维全PIC模拟表明，离子电子质量比越大，修正双流不稳定性越明显。它也证实了下游传播的波更增强的激波脚附近的激波斜坡的质量比变得更高。结果表明，这些波通过与激波阵面波纹的相互作用，对无碰撞激波的动力学特性起到了一定的修正作用。
2014-01-31 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
Asymptotic perpendicular transport in low-beta collisionless plasma
本文针对强碰撞假设的Braginskii回旋黏性应力闭合在高温等离子体中适用性差的问题，提出漂移标度下的半流体渐近分析方法和调整后的Braginskii闭合方案，经模拟验证可准确修正温度梯度下的闭合误差。
2024-08-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Kinetic dissipation and anisotropic heating in a turbulent collisionless plasma
利用无碰撞混合模拟方法研究了Orszag-Tang涡旋的动力学演化。在磁流体动力学制度，这种涡流迅速导致宽带湍流。与MHD的显著差异出现在小尺度上，其中流体尺度能量几乎完全通过磁场耗散成热，因为质子与磁场解耦。虽然没有回旋共振，但质子在垂直于平均场的平面上优先加热，就像日冕和太阳风一样。计算了有效输运系数。
2008-06-20 physics.plasm-ph physics.space-ph
Condensate formation in collisionless plasma
高温等离子体中一般磁镜结构的粒子凝聚可能是由镜点附近热离子声背景噪声的离散共振引起的。共振打破了反弹对称性，暂时将粒子锁定在共振波长。相关长度为平行方向的德拜长度和垂直方向的离子回旋半径。
2021-07-02 astro-ph.SR cond-mat.supr-con physics.plasm-ph
Criteria for ion acceleration in laboratory magnetized quasi-perpendicular collisionless shocks: when are 2D simulations enough?
Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究实验室准垂直无碰撞激波中离子加速，用混合粒子模拟探索阿尔文马赫数、声马赫数及等离子体β对离子能量的影响，建立三维模拟缩放标准，指出有效加速条件，还给出对实验配置的修改建议及应用前景。
2026-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Laboratory measurements of energy partitioning and anomalous electron heating in magnetized, perpendicular collisionless shocks
Princeton University（普林斯顿大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；National Institutes of Natural Sciences（国立自然科学研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Kasetsart University（泰国农业大学）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
研究通过实验室实验观测超临界磁化非碰撞性激波的能量分配，发现下游电子和离子温度显著高于绝热和碰撞加热，揭示了非碰撞性异常电子加热现象。
2026-09-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless Damping of Low-Frequency Magnetosonic Pulses in a Two-Ion-Species Plasma
本文对两种离子等离子体中的低频磁超声波脉冲进行了理论研究和基于三流体模型的一维电磁模拟程序的模拟，特别关注少数重离子的动力学。结果表明，重离子可以从脉冲中获得一定的能量。由于这种能量转移，即使等离子体是无碰撞的并且脉冲传播垂直于磁场，脉冲也会被衰减。
1999-05-31 physics.plasm-ph
The effects of strong temperature anisotropy on the kinetic structure of collisionless slow shocks and reconnection exhausts. Part I: PIC simulations
设计了一个二维Riemann问题来研究在重联排气边界处形成的慢激波的发展和动力学。对法向磁场与横向上游磁场的变化比率（即，相对于上游磁场的传播角）。当角度足够倾斜时，模拟显示下游区域存在较大的消防软管方向（P_平行>P_垂直）温度各向异性，并伴有从共面慢激波到非共面旋转模式的转变。在下游区域，消防水龙带稳定性参数ψ =1-mu_0（P_parallel-P_vertical）/ B^2趋于锁定在0.25。这种平衡是由逆流离子之间的竞争引起的，逆流离子驱动着湍流下降，而离子惯性尺度波的散射则被下游的旋转波驱动着不稳定。在非常倾斜的传播角，二维湍流也发展在下游区域。
2011-03-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
A fast current-driven instability in relativistic collisionless shocks
我们在这里报告的快速电流驱动的不稳定性在相对论性无碰撞冲击，引发的超热粒子携带的垂直电流，因为他们周围的背景磁场在冲击前兆回旋。我们表明，这种不稳定性的增长速度比任何其他不稳定性研究到目前为止，在这种情况下，我们认为，它很可能塑造物理的冲击和粒子加速在一个广泛的参数范围。
2014-05-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Planar Collisionless Shock Simulations with Semi-Implicit Particle-in-Cell Model FLEKS
本研究验证了半隐式PIC代码FLEKS用于日球层激波模拟的可行性，明确二维空间模拟的必要性及参数影响，为相关大规模等离子体模拟提供指导。
2025-10-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Ion acceleration to MeV by the ExB wave mechanism in collisionless shocks
结果表明，在垂直于磁场的方向上，离子可以通过静电波的ExB机制加速到MeV能量范围。加速发生在离散的步骤的持续时间是一个小部分的gyroperiod，可以解释观测到的离子电子伏特到10千电子伏在准垂直冲击和100-1000千电子伏在准平行冲击。给出了任意形状冲击波中加速离子的最大能量的一般表达式。参与加速的波与三个交叉场电流驱动的不稳定性有关：由激波和小激波中的密度梯度引起的低混合漂移（LHD）不稳定性，其次是由强LHD波电场中电子的ExB漂移引起的修正双流（MTS）和电子回旋漂移（ECD）不稳定性。ExB波机制将重离子加速到与原子质量数成比例的能量，这与弓形激波上游的卫星观测以及超新星遗迹中的后激波观测是一致的。
2021-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Occurrence of Non-Stationarity at Earth's Quasi-Perpendicular Bow Shock
本文通过521次地球准垂直弓形激波穿越的统计分析，发现离子相空间空穴在65%的情况下出现，且在阿尔芬马赫数大于7时出现率达70%，表明该激波主要以非平稳状态存在。
2025-07-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
Electrostatic turbulence and Debye-scale structures in collisionless shocks
我们提出了一百多个大振幅双极静电结构的分析，在准垂直超临界地球的弓形激波穿越，测量的磁层多尺度航天器。双极结构的出现与激波过渡区的磁场梯度密切相关。双极结构具有负静电势和几个德拜长度的空间尺度。双极结构传播的速度（在等离子体静止帧）的顺序的离子声速的冲击法线高度倾斜。我们认为双极结构是由入射离子和反射离子之间的双流不稳定性产生的离子相空间空穴。这是第一次确认的离子双流不稳定性在无碰撞冲击。电子加速的影响进行了讨论。
2019-12-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Emergence of MHD structures in a collisionless PIC simulation plasma
采用一维粒子模拟方法，模拟了在初始均匀垂直磁场中稠密等离子体向稀等离子体的膨胀过程。稠密等离子体以快速稀疏波的形式膨胀。被加速的稀等离子体通过其背面的切向不连续性与稠密等离子体分离。在其前部形成一个马赫数为1.5的快速磁声激波。我们的模拟演示了波的色散如何加宽激波过渡层成为一个非线性快磁声波的训练。
2017-08-26 physics.plasm-ph
Ion Reflection by a Rippled Perpendicular Shock
本文利用 MMS 观测研究非稳态无碰撞垂直等离子体激波，发现由 Hall 项平衡的亚质子尺度大振幅法向电场导致激波坡出现波纹，其静电势使入射离子减速并反射大量质子，实现比稳态平面激波更高效的激波漂移加速。
2024-07-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle energization in colliding subcritical collisionless shocks investigated in the laboratory
碰撞无碰撞激波出现在各种各样的天体物理现象中，被认为是宇宙中粒子加速的可能来源。为了研究这种现象的详细动力学，我们进行了专门的实验室实验。在LULI 2000激光装置上，用100 J，1 ns的激光束辐照两个聚四氟乙烯（CF $_2$）靶，产生了两个逆流亚临界无碰撞磁化冲击波。等离子体流之间的相互作用区域预先填充有低密度的背景氢等离子体，并初始化与外部施加的均匀磁场垂直的冲击。我们在这里报告的等离子体密度和温度的测量过程中形成的超临界冲击，他们的过渡到亚临界，并最终相互渗透。我们还通过流体动力学模拟和微观物理在相互作用过程中发挥通过Particle-In-Cell模拟系统的宏观演化建模。主要目标是了解第二次冲击对粒子速度的影响。我们发现，在两个冲击的存在下，周围的离子达到的能量约1.5倍的单冲击。第二个激波的下游区和两个激波共有的下游区的存在在不同的速度场中起作用：两个区域中垂直的电场的特性确实允许某些粒子保持加速或避免减速。
2022-02-07 physics.plasm-ph
Impact of electron temperature anisotropy on the collisionless tearing mode instability in the presence of a strong guide field
本文建立强引导场下含电子温度各向异性的陀螺流体模型并解析推导撕裂模色散关系，发现温度比升高不会增强增长率反而产生弱阻尼，且预测与模拟定量吻合。
2021-01-14 physics.plasm-ph
Microphysically modified magnetosonic modes in collisionless, high-$β$ plasmas
本文通过混合动力学模拟和解析理论，研究了高$β$无碰撞等离子体中NP模式和快磁声波的非线性行为，发现它们会激发镜像和火管等微观不稳定性，进而通过粒子散射影响波衰减和激波形成，为低碰撞等离子体湍流理论奠定基础。
2023-04-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Laboratory observation of ion acceleration via reflection off laser-produced magnetized collisionless shocks
本研究在激光产生的磁化等离子体中，首次通过实验直接观测到超临界准垂直无碰撞激波反射加速离子的现象，结合模拟揭示了动生电场的加速作用，可为地球弓激波的准单能快离子成分提供解释。
2023-08-25 physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Heating in Quasi-Perpendicular Shocks
THEMIS卫星对地球弓形激波的70次穿越被用来研究无碰撞准垂直激波中的热电子加热。结果表明，热电子的温升与磁场的温升相差三倍，平行电场不产生平行电子的温升，平行和垂直电子的温升平均相同。研究还发现，垂直和平行电子加热同时发生，因此各向同性化时间与加热时间相同。这些结果不能用能量从波到电子的转移或磁化电子在冲击波中的运动来解释。电子回旋直径尺度上的电场波动在激波斜坡中被发现是有限幅度的，这要求电子轨迹比有序和绝热更随机和混乱。这些数据可以用大幅度的电场波动来解释，当电子移动通过交叉冲击电场时，该波动使电子退磁
2013-02-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Parallel Collisionless Shocks in strongly Magnetized Electron-Ion Plasma. I. Temperature anisotropies
本研究利用PIC模拟探究强磁化等离子体中平行无碰撞电子-离子激波的特性，揭示了不同磁化强度下激波的压缩比、不稳定性、粒子加速及温度演化规律，明确其与标准MHD行为的偏差。
2025-09-02 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
The effects of strong temperature anisotropy on the kinetic structure of collisionless slow shocks and reconnection exhausts. Part II: Theory
对无碰撞斜向传播慢激波的模拟表明，存在与临界温度各向异性相关的转变，即δ =1-μ_0（P_parallel-P_vertical）/ B^2 = 0.25（Liu，Drake and Swisdak（2011））。本文基于各向异性流体理论，特别是各向异性导数非线性薛定谔-伯格斯方程，提出了对这种现象的解释，并给出了下游逆流离子能量封闭的直观模型。0.25的各向异性值是重要的，因为它与慢模式和中间模式的简并点密切相关，并且对应于在复合慢激波（SS）/旋转不连续（RD）波内部发生的共面到非共面过渡的下限。这项工作意味着，它是一对复合SS/RD波约束流出的磁重联，而不是一对开关慢冲击Petschek的模型。这一事实可能解释了Petschek重连相关的关闭慢冲击的现场观测的罕见性。
2011-04-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Compressible Turbulence as a Source of Particle Beams and Ion Bernstein Waves in Collisionless Plasmas
Universität Potsdam（波茨坦大学）；Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射中心）
通过高分辨率粒子云模拟，研究可压缩湍流如何通过渡越时间阻尼产生超热电子和质子束，并在亚离子尺度激发离子伯恩斯坦波，揭示其在无碰撞等离子体湍流中驱动跨尺度能量传输和动能耗散的核心作用。
2026-05-22 physics.plasm-ph
Localized enhancements of energetic particles at oblique collisionless shocks
本文利用三维实验粒子模拟方法研究了非相对论斜快无碰撞激波加速带电粒子的空间分布。我们发现，低能量粒子的密度表现出局部增强的冲击，类似于“尖峰”测量行星际冲击。与以前的结果相比，基于数值解的集中输运方程，我们发现一个冲击尖峰的任何磁取向，从准垂直到平行。我们比较的俯仰角分布相对于当地的磁场和动量分布远下游和非常接近的冲击内的尖峰，我们的研究结果是兼容的预测从散射的无冲击漂移加速度（SDA）在这些地区的限制。旅行者1号在太阳终端激波处测量到的低能粒子的增强与我们的剖面相当。我们的模拟允许预测超热质子在行星际冲击在10个太阳半径内进行测试的太阳探测器任务。他们也有影响的解释离子加速超新星遗迹冲击。
2015-02-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the properties of solutions for MHD shock waves in collisionless plasma with heat fluxes
本文采用八阶矩MHD近似，研究了具有热流的无碰撞等离子体中平行MHD激波解的性质。已经建立了上游冲击参数的限制，保持下游等离子体参数的物理意义。
2020-03-22 physics.plasm-ph
Relativistic Collisionless Shocks in Inhomogeneous Magnetized Plasmas
全动力学模拟显示，上游动力学尺度密度扰动可使磁化相对论无碰撞激波恢复粒子加速能力，并产生影响耀变体偏振的大尺度磁结构。
2023-04-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field strength for parallel collisionless shocks in pair plasmas
无碰撞激波遵循朗肯-雨果纽跳跃条件，达到很好的近似。然而，对于平行于磁场传播的激波，磁流体力学指出激波的性质与磁场强度无关，而最近的Particle-in-Cell模拟揭示了这种激波在无碰撞状态下的磁流体力学行为的显著偏离。发现这种偏离是由下游压力中的场驱动各向异性引起的，但这种各向异性对场强的函数依赖性尚未确定。在这里，我们提出了一个非相对论模型的等离子体演化通过冲击波阵面，允许推导的下游各向异性的场强。我们的方案假设双绝热演化的一对等离子体通过冲击波阵面。因此，垂直温度是守恒的。如果产生的下游是稳定的，那么等离子体保持在这种状态。如果不稳定，它会向消防水管稳定性阈值迁移。在这两种情况下，守恒方程，连同有关的假设上的温度，允许一个完整的确定的下游各向异性的场强。
2018-10-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Collisionless energy transfer in kinetic turbulence: field-particle correlations in Fourier space
在几乎无碰撞的日光层等离子体中，包括太阳风和日冕以及地球的磁层，都普遍观察到湍流。了解湍流脉动能量向颗粒能量传递的无碰撞机制是湍流动力学研究的前沿。从湍流到粒子的无碰撞能量传递可以可逆地发生，导致在最终实现碰撞热化之前粒子速度分布函数（VDFs）中的非热能。利用VDF波动中包含的信息是有价值的。在这里，我们应用一个最近开发的方法的基础上VDFs，场粒子相关技术，一个$β=1$，太阳风，低频Alfvénic湍流模拟，以及解决相空间，以确定在速度空间中的场粒子能量转移。场-粒子相关性揭示了由平行电场介导的能量转移导致离子和电子VDF在平行于磁场的方向上的显著结构化。傅立叶模式表示的离子和电子gyroradii之间的长度尺度表明，能量转移是共振的性质，本地化的朗道共振的速度空间中的每个傅立叶模式。能量转移密切遵循朗道共振速度与变化的垂直波数$k_\perp$和等离子体$β$。在覆盖模拟耗散范围的所有诊断傅立叶模式中观察到与朗道阻尼一致的这种共振签名。
2019-09-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Direct Evidence for Magnetic Reflection of Heavy Ions from High Mach Number Collisionless Shocks
无碰撞等离子体中的强激波，如超新星激波和由日冕物质抛射驱动的激波，是高能粒子的主要来源。由于重离子与激波层的质量/电荷比不同，它们与激波层的相互作用不同于质子，将这些离子注入加速过程是一个挑战。在这里，我们展示了第一个直接的观测证据的磁反射的α粒子从一个高的马赫数准垂直冲击使用原位航天器测量。与非平稳性相关的激波前沿的强烈磁放大调制了α粒子的轨迹，其中一些粒子在增强的磁场中旋转并在上游区域经历进一步的加速时返回上游。我们的研究结果特别强调了高磁放大的重要作用，在种子重离子到非平稳重整冲击的过程中。
2021-08-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Laboratory evidence for proton energization by collisionless shock surfing
在天体物理环境中，带电粒子可以被无碰撞的冲击波加速到高能量，例如超新星遗迹。通过与磁化的环境介质相互作用，这些冲击可以将能量传递给粒子。尽管越来越多的努力，这些冲击的特点，从卫星测量地球的弓形冲击和强大的数值模拟，基本的加速机制或其组合仍然是广泛的辩论。在这里，我们表明，天体物理相关的超临界准垂直磁化无碰撞冲击，可以在实验室中产生和特点。我们观察到的超临界特性的冲击轮廓，以及从周围的气体到数百千电子伏的质子拾取的能量密度。对实验室实验进行动力学模拟，确定冲击冲浪是质子加速机制。我们的观察结果不仅提供了早期离子通过无碰撞冲击加速的直接证据，而且还突出了这种特殊机制在激励环境离子以进一步加速阶段中所起的作用。此外，我们的研究结果打开了大门，未来的实验室实验调查可能的过渡到其他机制，当增加的磁场强度，或诱导冲击波阵面波纹的效果可能对加速过程。
2021-06-30 physics.plasm-ph
Collisionless tangential discontinuity between pair plasma and electron-proton plasma
我们研究与一维粒子在细胞（PIC）模拟的膨胀对云成磁化的电子-质子等离子体，以及形成和随后的传播的切向不连续性，分离两个等离子体。它的传播速度取这样一个值，即不连续性的磁压力与对云的热压力和质子的冲压压力相平衡。质子被不连续性加速到超过快磁声速10倍的速度。超临界快磁声激波形成在这个束的前面。在激波下游和不连续点前方质子温度的增加使不连续点保持完整。我们通过在模拟边界处向均匀的电子-质子等离子体中注入一对云来产生不连续性，该等离子体被垂直的磁场渗透。在X射线双星（微类星体）的相对论对喷流中，无碰撞切向不连续性与其内部茧的相对论轻子永久接触，它们成为无线电同步辐射的来源。
2020-02-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Adaptive critical balance and firehose instability in an expanding, turbulent, collisionless plasma
使用混合动力学粒子模拟，我们研究了膨胀的，无碰撞的，磁化等离子体中的强Alfvénic湍流持续驱动的演变。由等离子体膨胀产生的温度各向异性（以及随之而来的平均磁场强度的降低）逐渐降低了场线的有效弹性，导致Alfvénic波动的线性频率和剩余能量的降低。作为响应，这些波动修改它们的相互作用和空间各向异性，以保持它们的特征线性和非线性频率之间的逐尺度“临界平衡”。最终等离子体变得不稳定，动力学消防水龙带不稳定性，激发快速增长的离子拉莫尔尺度的磁波动。随之而来的粒子的俯仰角散射保持边缘稳定附近的温度各向异性，即使作为湍流等离子体继续扩大。由此产生的平行和垂直温度的演变不满足双绝热守恒定律，但准确地描述了一个简单的模型，包括异常散射。我们的研究结果有影响，了解各种热，稀，天体物理等离子体中的宏观和微观尺度物理之间的复杂相互作用，并提供有关功率谱，剩余能量，离子拉莫尔尺度的光谱断裂，和非麦克斯韦功能的离子分布函数，可以通过在高β地区的太阳风的测量进行测试的预测。
2021-11-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest
提出了一种新的产生准垂直超临界磁化无碰撞激波的实验方法。在我们的实验中，环境氮（N）等离子体是在休息和良好的磁化，它具有均匀的质量密度。等离子体是由激光驱动的烧蚀铝（Al）等离子体推动的。条纹光学高温计和空间分辨激光集体汤姆逊散射澄清等离子体密度和温度的结构，这是比较一维粒子在细胞模拟。结果表明，激光辐照后，Al等离子体被自生的Biermann电池场磁化，并与入射的N等离子体发生碰撞。N等离子体中的压缩外部场反射N离子，导致逆流磁化N流。也就是说，我们识别反射的N离子的边缘。这种相互作用的等离子体形成了磁化的无碰撞激波。
2022-02-07 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.plasm-ph
Particle acceleration and wave excitation in quasi-parallel high-Mach-number collisionless shocks: Particle-in-cell simulation
本文通过一个长期的、大规模的粒子模拟研究了准平行高马赫数无碰撞激波中质子和电子的激波形成和粒子加速过程。我们表明，质子和电子都在冲击波中加速，这些加速粒子在冲击波的上游区域产生大振幅的Alfvénic波。在上游波充分增长之后，由于波的大横向磁场，无碰撞激波的局部结构变得基本上类似于准垂直激波的结构。一小部分质子在激波中加速，能量分布类似于幂律。质子注入对加速过程的速率近似为常数，在注入过程中，上游波对质子的相位俘获机制起着重要作用。主要的加速过程是通过质子的重复冲击交叉的费米式过程。这个过程是一个“快”过程，因为大多数加速质子完成一个加速过程周期所需的时间比扩散时间短得多。一小部分电子也被相同的机制加速，并具有类似幂律的能量分布。然而，在模拟过程中，喷射没有进入稳定状态，这可能与上游波的间歇性活动有关。在冲击波的上游，一部分电子在到达冲击波之前被预加速，这可能有助于在稍后的时间稳定的电子注入。
2015-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast particle acceleration in 3D hybrid simulations of quasi-perpendicular shocks
本研究通过3D混合模拟发现，准垂直激波中质子可自发产生非热尾部并经激波漂移加速至由上游逃逸决定的最大能量，对理解宇宙线起源及天体激波现象具有重要意义。
2023-09-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: allowed solutions
等离子体中的冲击波通常用磁流体力学（MHD）来处理。然而，MHD需要一个短的平均自由程的假设，这是不符合无碰撞等离子体。最近，对等离子体，我们设计了一个模型，允许占内的MHD形式主义的动力学效应。它依赖于对穿越前缘时产生的各向异性的估计，以及对下游各向异性稳定性的后续评估。我们解决了我们的模型的平行，垂直和开关的冲击。在这里，我们之间的桥梁，所有这些情况下处理的问题，任意的，但共面，定向磁场。即使提出的形式主义是有效的各向异性的上游温度，只有一个冷上游的情况下解决。我们发现额外的解决方案，这是不是MHD目录的一部分，和密度跳变，是显着少的准平行，高磁化，制度。由于计算的复杂性，这项工作主要致力于介绍我们的模型的数学方面。即将发表的一篇文章将专门讨论这里定义的冲击的物理学。
2022-11-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Reformation of Supercritical Perpendicular Shock
European Space Agency (ESA)（欧洲航天局）；European Space Astronomy Centre (ESAC)（欧洲空间天文中心）；Swedish Institute of Space Physics（瑞典空间物理研究所）；Uppsala University（乌普萨拉大学）
研究超临界垂直激波非平稳性的成因，结合MMS观测与二维混合模拟，发现其源于自我调节反馈循环，即强霍尔场离子反射形成反射离子足，削弱霍尔场，足衰减后循环重启，二维激波结构组织的重整化循环解释了大部分非平稳性。
2026-07-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless Weibel shocks and electron acceleration in gamma-ray bursts
本文研究了伽马射线暴中的无碰撞外激波。通过自洽的三维粒子模拟，对冲击波结构、电磁场和电子加速过程进行了分析。根据流体动力学激波系统，激波由反向激波（RS）和前向激波（FS）组成，它们之间由接触间断（CD）隔开。其发展和结构受离子韦伯不稳定性控制。离子丝是在双激波结构两侧的强横向电磁场的源，长度为30 - 100离子趋肤深度。电子被加热到最大能量$ε_{\rm ele}\approx \sqrt{ε_{\rm b}}$，其中$ε$是归一化为总入射能量的能量。由于双极电场的存在和冲击区强横向磁场的反射，喷流电子被捕获在RS过渡区。在类似于离子的冲击冲浪加速（SSA）的过程中，电子经历漂移运动并通过垂直于冲击传播方向的平面中的离子丝横向电场加速。最终加速的喷射电子对流回到上游。
2015-08-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Diagnosing collisionless energy transfer using field-particle correlations: Alfven-Ion Cyclotron Turbulence
我们应用场粒子相关性-一种跟踪电磁场和等离子体粒子之间能量密度传输率的时间平均速度-空间结构的技术-从Alfvén离子回旋加速器湍流的混合Vlasov-Maxwell模拟中获得的数据。在这个系统中的能量传递预计将包括朗道和回旋波粒子共振，不像以前的系统，其中的场粒子相关技术已被应用。在该模拟中，由平行电场$E_\parallel$介导的能量传递速率包括总速率的大约$60\%$，其余部分由垂直电场$E_\perp$介导。平行的电场共振耦合到质子，在整个模拟过程中，在许多点处识别出朗道阻尼的规范双极速度-空间特征。由$E_\perp$介导的能量转移优先与具有$v_{tp} \lesssim v_\perp \lesssim 3 v_{tp}$的粒子耦合，这与回旋加速器扩散平台的预期形成一致。我们的研究结果清楚地表明，场-粒子相关技术可以区分不同的通道的能量转移使用单点测量，即使在多个通道同时作用的点，并可以用来定量地确定每个通道中的粒子的速度。
2020-06-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Can we trust MHD jump conditions for collisionless shocks?
当应用于计算激波的密度跃变时，标准磁流体动力学（MHD）形式主义假设：1）所有上游物质连同其携带的动量和能量一起向下游传递，以及2）压力是各向同性的。在无碰撞的激波中，激波加速的粒子绕着前缘来回运动可以使第一个假设失效。此外，外部磁场可以维持稳定的压力各向异性，使第二个假设无效。因此，不清楚无碰撞激波的密度跳跃是否满足MHD跳跃。在这里，我们试图澄清这个问题。对68篇关于无碰撞冲击的Particle-In-Cell模拟的文献进行了综述。我们分析了触发偏离MHD密度跳跃的因素，并量化了它们对$Δ_{RH}$的影响，即偏离Rankine-Hugoniot跳跃的相对偏离。对于小偏差，我们提出了$Δ_{RH} = + \mathcal{O}(10^{-1-3.7κ})t^κ- σ\mathcal{O}(1)$，其中$t$是模拟的时间尺度，$σ$是磁化参数，$κ$是阶数单位的常数。第一项源于能量泄漏到加速粒子中。第二项源于由场触发的下游各向异性（假设上游各向同性）。这个关系允许评估在何种程度上无碰撞冲击满足RH密度跳跃。在强场极限和平行激波情况下，由场引起的偏离在一个有限的负值处饱和。对于垂直激波，在小的和高的$σ$时，偏离趋于零，因此我们在这里找到一个偏离窗口。必须根据完整的3D模拟检查所获得的结果。
2020-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Local 2D Particle-in-cell simulations of the collisionless MRI
磁旋转不稳定性（MRI）是各种天体物理吸积盘角动量输运的重要机制。在以远低于爱丁顿速率吸积的系统中，例如银河系中心的黑洞（Sgr A*），粒子之间的库仑碰撞速率非常小，使得盘本质上演化为无碰撞的等离子体。我们提出了一个非线性研究的碰撞MRI使用第一性原理粒子在细胞（PIC）等离子体模拟。在这个初步的研究中，我们专注于本地的二维（轴对称）模拟，推迟更现实的三维模拟未来的工作。对于具有净垂直磁通量的模拟，MRI连续放大磁场，直到阿尔文速度v_A与光速c相当（与v_A/c的初始值无关）。这与类似轴对称MHD模拟中MRI通道模式饱和度的缺乏是一致的。MRI对磁场的放大在等离子体中产生显著的压力各向异性（垂直压力大于平行压力）。我们发现，这种压力各向异性反过来激发镜像模式和体积平均的压力各向异性保持在镜像模式激发的阈值附近。粒子的重联和与压力各向异性相关的粘性加热是导致粒子重联的原因。重联产生一个独特的幂律成分的能量分布函数的粒子，表明非热离子和电子加速的可能性，在无碰撞的吸积盘。这对于解释观测到的Sgr A* 等系统的发射（从无线电到伽马射线）具有重要意义。
2012-01-31 astro-ph.HE physics.plasm-ph
