各向同性湍流中相对论性带电粒子与磁场线的扩散：II. 解析模型
高能天体物理现象
2025-10-03 v3 星系天体物理
太阳与恒星天体物理
摘要
高能粒子在小尺度湍流磁场存在下的输运是天体物理学中的一个长期问题。关于垂直于大尺度磁场输运的解析理论与数值模拟在粒子回旋半径略小于湍流相关长度处的刚度下不一致。同时，将数值模拟扩展到更低刚度已被证明在计算上难以实现。我们提出了一个垂直输运的解析模型，基于（1）粒子沿磁场线的初始输运，（2）磁场线的输运，以及（3）粒子最终与磁场线的去关联。平行于大尺度磁场的输运由俯仰角散射主导，因此在大于俯仰角扩散系数倒数的时间下，粒子在平行方向上作空间扩散。我们的结果表明，当粒子在垂直方向上位移了几个湍流相关长度时，发生垂直扩散。我们通过运行大量前所未有的低刚度测试粒子模拟检验了该解析理论，并广泛使用了图形处理单元（GPU）。我们的数值结果显示在中等刚度下垂直扩散系数具有非标准的刚度依赖性。在最低刚度下，标准的刚度依赖性得以恢复。模拟的扩散系数被我们的解析模型很好地重现。我们将非标准的刚度依赖性追溯到磁场线输运中的亚扩散阶段。我们的研究确认了我们对宇宙线从银河系晕中逃逸及其刚度依赖性的理解。[删节]
引用
@article{arxiv.2211.05882,
title = {Diffusion of relativistic charged particles and field lines in isotropic turbulence: II. Analytical models},
author = {Marco Kuhlen and Vo Hong Minh Phan and Philipp Mertsch},
journal= {arXiv preprint arXiv:2211.05882},
year = {2025}
}
备注
13 pages, 5 figures; minor edits; accepted for publication in ApJ