三维非相对论磁重联中的等离子体动力学与非热粒子加速

理解三维磁重联中的等离子体动力学和非热粒子加速一直是一个长期存在的挑战。在本文中，我们通过在弱引导场和强引导场两种情况下，对不同参数的多X线等离子体团重联进行大规模全动理学模拟，来探索这些问题。在每种情况下，我们都识别出了其独特的三维动力学，这些动力学导致了场线混沌和高效加速，并且我们实现了电子和质子加速到幂律谱的非热加速。谱指数与包含引导场依赖性的简单费米加速理论吻合良好。在低引导场情况下，磁通量绳扭曲不稳定性主导了实现高效加速的三维动力学。谱对离子-电子质量比和$\beta$（$\ll1$）的弱依赖性表明，在我们的模拟中，粒子被充分磁化以进行费米加速。虽然电子和质子都在重联喷流处注入，但质子主要通过费米反射由垂直电场注入，而电子则由垂直和平行电场的组合注入。磁功率谱与原位磁尾观测结果一致，谱指数可能反映了由重联驱动的等离子体团尺寸分布，而不是Goldreich-Sridhar涡旋级联。随着引导场变强，大尺寸的倾斜磁通量绳捕获了实现高效加速的主要三维动力学。有趣的是，倾斜磁通量绳也可能发生磁通量绳结不稳定性，从而驱动额外的三维动力学。这项工作对日球层物理学和天体物理学中的三维重联动力学和粒子加速具有广泛的意义。