宇宙线流不稳定性磁流体-粒子模拟：线性增长与准线性演化

回旋共振宇宙线（CR）流不稳定性被认为在CR输运中起着关键作用，导致小尺度阿尔文波增长并散射CR，并影响CR与大尺度星际介质（ISM）的相互作用。然而，极端的尺度分离（$\lambda \ll \rm pc$）、低宇宙线数密度（$n_{\rm CR}/n_{\rm ISM} \sim 10^{-9}$）以及弱CR各向异性（$\sim v_A/c$）对在微观物理层面正确数值研究该不稳定性提出了严峻挑战。采用近期发展的磁流体-粒子（MHD-PIC）方法——其在缓解这些问题上具有独特优势——我们进行了二维模拟，定量展示了在与大尺度ISM中真实CR流一致的参数 regime 下该不稳定性的增长与饱和。我们对 $\delta f$ 方法的实现大幅降低了泊松噪声，使我们能够准确捕获在左、右手阿尔文模间均等共享的宽谱波增长。我们还能够通过采用跨周期边界的相位随机化，准确追踪波增长后CR的准线性扩散。CR在波系中的完全各向同性化要求大多数CR的俯仰角有效跨越 $90^\circ$，并可在具有相对较高波幅和/或高空间分辨率的模拟中捕获。通过考察单个CR轨迹，我们将此跨越归因于非线性波-粒相互作用（而非镜像反射）。我们预期我们的方法将为未来纳入附加物理的研究开辟机会。