高能粒子对等离子体湍流反馈的闭合模型

高能粒子与周围的等离子体相互作用，通过与特定等离子体波共振来稳定某些波同时使其他波失稳，并以尚未完全量化或理解的方式改变了背景湍流的特性。与湍流背景等离子体的相互作用是许多类型高能粒子加速的关键，包括高能宇宙射线、太阳高能粒子和拾起离子。这一过程理想情况下应由动力学模型来描述，这是一种在 7 维空间中跟踪所有粒子概率分布函数（PDF）的模型。由于动力学模型的高维特性，此类模拟耗尽了现有的最大计算资源，却仍无法模拟真实数量的粒子、达到天体物理问题所需的大尺度，或使用高精度数值方法。人们已经探索了两种可替代动力学等离子体模型的方案：多流体模型和混合流体/Fokker-Planck 模型。这些方法受限于耦合的物理建模。我们开发了一种新模型，该模型跟踪所有粒子的 PDF；这可以被视为在多流体 MHD 模型之上向物理真实性迈进的一步，同时比动力学模型具有更高的计算效率。我们建立的方程组自洽地同时对背景等离子体和高能粒子进行了建模。在过去十年中，类似的 PDF 方法已发展到高度成熟的水平，用于工程应用中的反应流和湍流燃烧建模。为了处理高能粒子对背景等离子体的反馈，PDF 闭合方法应能以优于粒子抽样程序的统计质量来评估平均特性，包括密度。