激波中涨落电磁场下粒子加速的直接模拟

我们模拟了具有磁流体动力学(MHD)涨落的激波结构中无碰撞粒子的加速过程。电磁场表示为MHD激波解($\Mag_0, \Ele_0$)与扭转Alfvén模谱($\delta \Mag, \delta \Ele$)之和。我们在对数波数空间中表示涨落模。由于电磁场以解析形式表示，我们的模拟可以轻松覆盖高达八个数量级的共振频率范围，且不受模拟箱尺寸或网格间距的空间限制。我们在Lorentz力作用下确定性地计算粒子轨迹，时间间隔长达十年，时间步长约为$\sim 0.5 \sec$。这足以分辨Larmor频率而无需随机处理。模拟表明，一阶Fermi加速的效率可以用涨落幅度$\eta \equiv < \delta B^2 > ^{\frac 1 2} {B_0}^{-1}$来参数化。通过在固定$\eta$的同时增加Fourier空间中的波模数，展示了数值结果的收敛性。一阶Fermi加速的效率在$\eta \simeq 10^1$时达到最大值。加速率取决于激波法向与$\Mag_0$之间的夹角，当该角度为零时最高。我们的方法将为比较无碰撞湍流理论与超新星遗迹(SNRs)双极结构及壳层状同步辐射结构的观测提供便利工具。