相对论无碰撞电子-离子-正电子激波的微物理

我们通过粒子在胞模拟来阐明含有电子-正电子对的相对论性弱磁化激波的微物理。研究了不同的外部磁化参数 $\sigma\lesssim 10^{-4}$ 与正负电子加载因子 $Z_\pm \lesssim 10$，其中 $Z_\pm$ 为每个离子所加载的电子与正电子数目。我们发现如下结果。（1）当 $\sigma$ 超过临界值 $\sigma_{\rm L}$ 时，激波由离子在平均场中的拉莫尔回旋介导，而 $\sigma_{\rm L}$ 随 $Z_\pm$ 增大而减小。在 $\sigma\lesssim\sigma_{\rm L}$ 时，激波由粒子在自生微湍流场中的散射介导，该场强度与尺度随 $Z_\pm$ 增大而减小，导致更低的 $\sigma_{\rm L}$。（2）激波后正负电子所携带的能量分数稳定地处于上游离子能量的 20% 至 50% 之间。每个激波后电子的平均能量标度为 $\overline{E}_{\rm e}\propto (Z_\pm+1)^{-1}$。（3）正负电子加载在磁化低至 $\sigma\approx 5\times 10^{-6}$ 时抑制非热离子加速。此时离子基本变为热分布，平均能量为 $\overline{E}_{\rm i}$，而电子形成非热尾，从 $E\sim (Z_\pm + 1)^{-1}\overline{E}_{\rm i}$ 延伸至 $\overline{E}_{\rm i}$。当 $\sigma = 0$ 时，粒子加速因激波演化后期前驱中密集强磁空腔的形成而增强。此处非热离子与电子的最大能量在模拟期间持续增长。除模拟外，我们给出了与数值结果一致的理论估计。我们的发现对早期伽马射线暴余辉模型具有重要意义。