宇宙线在亚阿尔文磁流体动力学湍流中的传播

这项工作的主要目标是提供对由大尺度流体速度场强迫产生的磁流体动力学湍流场中宇宙线传播的详细研究。它推导了以阿尔文马赫数描述的湍流水平和以粒子刚度描述的粒子平均自由程的依赖关系。我们使用了一个升级版的磁流体动力学代码 {\tt RAMSES}，其包含强迫模块和动力学模块，并对每个粒子求解洛伦兹方程。模拟在测试粒子和磁静力极限下使用三维周期盒子进行。强迫模块使用 Ornstein-Uhlenbeck 过程实现。对大量粒子轨迹进行系综平均以重建粒子平均自由程。我们推导了不同湍流强迫几何下，以阿尔文马赫数和粒子约化刚度表示的宇宙线平均自由程。粒子约化刚度定义为 $\rho=r_L/L$，其中 $r_L$ 为粒子拉莫尔半径，$L$ 为模拟盒子长度，其与湍流相干或注入尺度 $L_{inj}$ 的关系为 $L \sim 5 L_{inj}$。我们特别研究了压缩和螺线管强迫几何。我们发现压缩强迫解与准线性理论或更高级的非线性理论相容，后者预测刚度依赖为 $\rho^{1/2}$ 或 $\rho^{1/3}$。至少在低或中等阿尔文数下的螺线管强迫解与上述理论预期不相容，需要更精细的论证来解释。尤其对于接近 1 的阿尔文马赫数，无论强迫几何如何，场线的漫游控制垂直平均自由程解。