FPIC：用于 stationary 和 axisymmetric black-hole spacetimes 的新型 Particle-In-Cell 代码

本文介绍了一个新开发的 GRPIC 代码框架，命名为 FPIC，详细描述了 Maxwell 方程求解器、粒子推进器（pushers）以及该方法所需的其他算法。我们详细描述了该代码，其编写语言为 Fortran，并利用 MPI 指令实现了针对场和粒子的并行架构。FPIC 采用球形 Kerr-Schild 坐标系，该坐标系编码了问题的整体球形拓扑，同时在事件视界附近保持规则。Maxwell 方程采用有限差分时域求解器，采用 leapfrog 方案演化；同时实现了多种粒子推进器用于粒子演化。在众所周知的算法之外，我们引入了一种新型混合方法，能够动态切换至基于哈密顿能违规程度选择的最合适方案。我们首先展示了在 Schwarzschild 与 Kerr 度量下，对围绕黑洞的中性粒子轨道进行仿真的结果，监控哈密顿误差在不同积分方案中的演化。我们应用该混合方法，表明其能够在降低计算成本的同时实现 improved 能量守恒。我们将 FPIC 应用于 Wald solution 的研究，首先在电真空环境中，然后在等离子体填充配置中进行应用。在后者情况下，无限远处能量为负的粒子位于ergosphere内部，表明Penrose过程正在发生。最后，我们展示了在等离子体环境中的 split-monopole solution，并成功复现了 Blandford-Znajek 亮度，发现其与解析预测之间的吻合非常良好。