磁主导区磁重联过程中的粒子加速与等离子体动力学

磁重联被认为是宇宙中许多爆发现象的驱动机制。重联过程中的能量释放和粒子加速被提议为产生高能辐射和宇宙线的机制。我们进行了二维和三维动力学模拟，以研究相对论性磁重联及其相关的粒子加速。模拟聚焦于起始于磁主导、无力电流片（$\sigma \equiv B^2/(4\pi n_e m_e c^2) \gg 1$）的电子 - 正电子等离子体。在此极限下，我们证明了相对论性重联通过由相对论性流诱导电场沿曲率漂移完成的一阶费米过程，能高效地加速粒子。该机制导致形成硬幂律谱 $f \propto (\gamma-1)^{-p}$，且在足够大的 $\sigma$ 和系统尺寸下趋近于 $p = 1$。最终，大部分可用的磁自由能转化为非热粒子动能。本文提出了一个解析模型来解释关键结果并预测幂律分布形成的一般条件。在这些区域中重联的发展导致了相对于非相对论区域更快的相对论性流入和流出速度以及增强的重联率。在三维模拟中，次级扭曲不稳定性与撕裂不稳定性之间的相互作用导致了强烈的磁湍流，但并未显著改变能量转换、重联率或粒子加速。本研究表明，相对论性重联位点是强非热粒子源，这可能对各种高能天体物理问题具有重要意义。