磁流体动力学 - 粒子网格方法用于耦合宇宙线与热等离子体：在非相对论激波中的应用

我们提出了一种磁流体动力学 - 粒子网格 (MHD-PIC) 方法，用于描述无碰撞宇宙线 (CR) 粒子与热等离子体之间的相互作用。热等离子体被视为遵循理想磁流体动力学 (MHD) 方程的流体，而宇宙线则被视为受洛伦兹力作用的相对论性拉格朗日粒子。该方法包含了宇宙线对气体的反作用，形式为动量和能量反馈。此外，我们还包含了由宇宙线诱导的霍尔效应产生的电磁反馈，当宇宙线诱导的背景等离子体电子 - 离子漂移速度接近阿尔芬速度时，该效应变得重要。我们的方法适用于远大于离子惯性长度的尺度，避开了传统 PIC 方法必须分辨的微观尺度，同时保留了宇宙线的完整动力学性质。我们已在 Athena MHD 代码中实现并测试了该方法，整体方案具有二阶精度且完全守恒。作为首个应用，我们描述了一项数值实验以研究非相对论激波中的粒子加速。使用简化的离子注入预设，我们重现了更自洽的混合 PIC 模拟所获得的激波结构和宇宙线能谱，但计算成本大幅降低。我们还表明，宇宙线诱导的霍尔效应降低了 Bell 不稳定性的增长率，并影响了激波锋面附近的气体动力学。作为向前迈进的一步，我们能够捕捉粒子加速从非相对论机制到相对论机制的过渡，动量谱 $f(p)\sim p^{-4}$ 平滑地穿过该过渡，正如费米加速理论所预期的那样。