相对论性湍流磁重联中的磁能释放、等离子体动力学与粒子加速

在强磁化天体物理等离子体系统中，磁重联被认为是发生爆发性能量释放和粒子加速并导致显著高能辐射的主要过程。过去几年中，相对论性磁重联的动理学建模得到了积极发展，支持这一磁主导情景。一个较少被探索的问题是三维动力学的结果，其中随着各类不稳定性发展会自然产生湍流结构。本文展示了一系列在正负电子等离子体中进行的三维全动理学相对论性湍流磁重联（RTMR）模拟，系统尺度远大于动理学尺度。我们的模拟始于具有几种不同长波磁场扰动模式的无力电流片，其在重联区驱动额外湍流。由此，电流层破裂，重联区迅速演化为充满通量绳和电流片等相干结构的湍流层。我们发现 RTMR 中的等离子体动力学在许多方面与其二维对应情形大不相同。通量绳在产生后迅速演化，并可能因二次扭曲不稳定性而完全被破坏。这种湍流演化导致了磁场线的超扩散行为，正如湍流重联的 MHD 研究所见。同时，非热粒子加速和能量释放时间尺度可以非常快，且不强烈依赖于湍流幅度。主要加速机制是由运动电场支持的类费米加速过程，而非理想电场加速起次要作用。我们讨论了三维 RTMR 在高能天体物理中可能的观测意义。