用于致密天体磁层中磁化等离子体的引导中心-Boris粒子推进器耦合方案
高能天体物理现象
2020-11-04 v3 等离子体物理
摘要
我们提出了一种模拟致密天体磁层中相对论性带电粒子运动的新数值方案，该磁层通常充满高度磁化的无碰撞等离子体。新算法基于完整运动方程系统与引导中心近似之间的动态切换。两种表述之间的切换基于等离子体粒子的磁化强度，使得即使时间步长不足以分辨回旋频率，引导中心运动也能准确捕捉动力学行为。对于具有大回旋半径的粒子（例如由于在重联电流片中加速），算法自适应切换为求解完整运动方程。新方案与标准粒子在胞(Particle-in-Cell)代码直接兼容，并通过专门的协变表述易于应用于弯曲时空。我们通过从特殊和广义相对论粒子在胞模拟获得的磁化等离子体重联电流片电磁构型中演化带电粒子来测试该耦合算法的性能。新的耦合推进器能够产生高度准确的粒子轨迹，即使时间步长远大于回旋周期数个数量级，从而大幅降低时间分辨率的限制。
引用
@article{arxiv.2007.14401,
title = {A coupled guiding center-Boris particle pusher for magnetized plasmas in compact-object magnetospheres},
author = {Fabio Bacchini and Bart Ripperda and Alexander A. Philippov and Kyle Parfrey},
journal= {arXiv preprint arXiv:2007.14401},
year = {2020}
}