具有“现实”磁场结构的相对论冲击波中的宇宙射线加速

我们采用蒙特卡洛模拟方法研究了宇宙射线在相对论冲击波中的一级费米加速过程。模拟基于在冲击波附近的湍流磁场中对粒子运动方程进行数值积分。与早前研究相比，本研究包含了一些“现实”的磁场结构特征。上游磁场由包含有限幅度正弦扰动的均匀场组件组成，均匀场组件以一定角度倾斜于冲击波法向。这些扰动在局部等离子体静止框架中被视为静止，其平坦或柯伊伯特谱被构造为从宽广范围$(k_{min}, k_{max})$随机抽取的波矢。下游磁场结构作为被冲击波压缩后的上游场得到。我们展示了在轻度相对论亚亚临界、超亚临界冲击波以及平行冲击波下获得的粒子谱和角分布。我们指出粒子谱偏离简单幂律，谱的确切形状取决于磁场扰动的幅度以及波功率谱。我们展示了在斜率亚临界冲击波中谱在截止处硬化的特征，以及在超亚临界冲击波中形成幂律尾部的特征。对于平行冲击波，磁场扰动的有限幅度导致冲击处形成局部斜率磁场配置及其相应的磁场压缩。这会修改粒子加速过程，引入一些斜率冲击波中存在的特征，例如粒子从冲击波的反射。我们针对平行冲击波演示了湍流幅度（非单调）变化对粒子谱指数的影响。