天体物理中的 PIC 方法：相对论性喷流与天体物理系统中的动理学模拟

Particle-In-Cell（PIC，粒子网格）方法由 Oscar Buneman、Charles Birdsall、Roger W. Hockney 和 John Dawson 在 1950 年代提出，并随着计算能力的进步，进一步发展到天体物理、磁层以及太阳等离子体等多个领域，近来也用于大气与激光等离子体物理。目前有 15 个以上半公开 PIC 代码可用，我们在本综述中对其进行讨论。随着全球高性能计算设施计算能力的提升，其应用已广泛扩展。这些系统使得研究天体物理等离子体的各类课题成为可能，例如磁重联、脉冲星与黑洞磁层、非相对论与相对论激波、相对论性喷流以及激光等离子体物理。我们综述了大量天体物理现象，如相对论性喷流、不稳定性、磁重联、脉冲星，以及激光等离子体物理的 PIC 模拟（截至 2021 年），重点强调模拟中所涉及的物理。最后，我们展望了与中子星、黑洞及其并合相关喷流的未来模拟，并结合千万亿次（petascale）与百亿亿次（exascale）计算探讨了 PIC 模拟的前景。